CONVERTOARE STATICE I Suport curs

Convertoare statice I Suport curs Electromecanică, Informatică aplicată în inginerie electrică, Ingineria și protecția meiului în inustrie Prof.r.ing. Mihaela Popescu

Cuprins CUPRINS 1 NOŢIUNI INTRODUCTIVE PRIVIND CONVERTOARELE STATICE 5 1.1. Locul convertoarelor statice în fluxul energetic 1.. Caracterizarea energiei electrice la ieşirea convertorului static 1.3. Clasificarea convertoarelor statice 1.3.1. Clasificarea convertoarelor statice in punct e veere energetic 1.3.. Clasificarea convertoarelor statice in punct e veere al comutaţiei ELEMENTE SEMICONDUCTOARE DE PUTERE: DIODA ȘI TIRISTORUL.1. Introucere.. Dioa.3. Tiristorul.3.1. Caracteristici.3.. Comana tiristoarelor.4. Elemente complet comanate: Tiristorul cu blocare pe poartă (GTO).4.1. Caracteristici.4.. Comana tiristoarelor GTO 17 3 ELEMENTE SEMICONDUCTOARE DE PUTERE: BPT, MOSFET, IGBT, SITh 3.1. Tranzistoare bipolare e putere (BPT) 8 3.1.1. Caracteristici 3.1.. Comana tranzistoarelor bipolare e putere 3.. Tranzistoare cu efect e câmp, e putere (MOSFET e putere) 3..1. Introucere 3... Structura e bază 3..3. Caracteristici 3..4. Valori limită absolută 3..5. Comana MOSFET 3.3. Tranzistoare bipolare cu bază izolată IGBT 3..1. Introucere 3... Structura e bază 3..3. Caracteristici 1

Cuprins 3..4. Valori limită absolută 3..5. Comana IGBT 3.4. Tiristoare cu cu inucţie statică SITh 3.4.1. Introucere 3.4.. Structura e bază 3.4.3. Caracteristici 3.4.4. Valori limită absolută 3.4.5. Comană şi protecţie 4 ALEGEREA ŞI VERIFICAREA ELEMENTELOR SEMICONDUCTOARE DE PUTERE 4.1. Piererile în elementele semiconuctoare e e putere 4.1.1. Piererile în tiristoare 4.1.. Consieraţii privin piererile în elementele semiconuctoare 4.. Alegerea elementelor semiconuctoare e putere 4..1. Verificarea elementelor semiconuctoare, la încălzire 4..1.1. Verificarea la încălzire în regim staţionar 4..1.. Verificarea la încălzire în regim intermitent 4..1..1. Cazul unui puls reptunghiular 4..1... Cazul mai multor pulsuri reptunghiulare 44 5 PROTECŢIA ELEMENTELOR SEMICONDUCTOARE DE PUTERE 78 5.1. Protecţia tiristoarelor la supratensiuni e comutaţie 5.1.1. Valoarea maximă a tensiunii la polarizarea în sens invers 5.1.. Valoarea maximă a pantei e creştere a tensiunii la polarizarea în 5.1.3. Algoritm e imensionare 5.. Protecţia convertoarelor statice conectate la reţeaua e c.a. 5.3. Protecţia tiristoarelor la scurtcircuit 5.3.1. Mărimi caracteristice 5.3.. Alegerea siguranţelor ultrarapie 5.3.3. Verificarea siguranţelor ultrarapie 6 CONVERTOARE STATICE C.A. C.C. (REDRESOARE) 97 6.1. Introucere 6.. Principiul şi teoria generală a reresoarelor comanate în fază 6..1. Principiul e funcţionare 6... Valoarea meie a tensiunii reresate, la mersul în gol 6..3. Regimurile e funcţionare ale unui reresor comanat 6..4. Comutaţia şi fenomenul e suprapunere anoică 6..5. Caracteristicile externe şi e comană

Cuprins 6..5.1. Caracteristicile externe 6..5.. Caracteristicile e comană 6.3. Regimul e curent întrerupt 6.3.1. Expresia curentului reresat 6.3.. Apariţia regimului e current întrerupt 6.3.3. Dimensionarea inuctivităţii e filtrare 6.3.3.1. Inuctivitatea pentru evitarea funcţionării în regim e curent 6.3.3.1. Inuctivitatea necesară pentru limitarea pulsaţiilor curentului 7 SCHEME DE BAZĂ ALE REDRESOARELOR 119 7.1. Scheme e bază ale reresoarelor comanate 7.1.1. Reresorul monofazat cu punct meian (MM) 7.1.. Reresorul monofazat în punte (MCP) 7.1.3. Reresorul trifazat în stea (TS) 7.1.4. Reresorul trifazat în punte (TCP) 7.. Mărimi caracteristice ale reresoarelor comanate 7.3. Inici e performanţă 8 REDRESOARE BIDIRECŢIONALE 145 8.1. Principiu şi schema e principiu 8.. Reresoare biirecţionale cu curenţi e circulaţie 9 COMANDA REDRESOARELOR CU COMUTAŢIE NATURALĂ 150 9.1. Structura blocului e comană 9.. Comana valorii meii 9..1. Comana în fază 9... Comana prin zero cu referinţă fixă 9..3 Comana prin zero cu referinţă variabilă 10 REDRESOARE MONOFAZATE SEMICOMANDATE 156 10.1. Generalități 10.. Reresorul monofazat semicomanat în punte asimetrică 10.3. Reresorul monofazat semicomanat în punte simetrică 10 REDRESOARE CU FACTOR DE PUTERE UNITAR 163 11.1. Reresoare cu factor e putere unitar 11.1.1. Principiul e funcţionare 11.1.. Reresorul monofazat în punte 11.1..1. Schema e forţă. Forme e ună 11.1... Mărimi caracteristice 11.1.3. Reresorul trifazat în punte 3

Cuprins 11.1.3.1. Schema e principiu, forme e ună 11.1.3.. Valoarea meie a tensiunii reresate 11.. Reresoare cu factor e putere unitar şi comană PWM 11..1. Reresorul monofazat în punte 11..1.1. Moulaţia sinusoială 11..1.. Moulaţia bilogică 11..1.1. Moulaţia sinusoială bilogică 11..1.. Moulaţia sinusoială trilogică 11... Reresorul trifazat în punte 11...1. Moulaţia sinusoială 11... Moulaţia sinusoială bilogică 11...3. Moulaţia trilogică 11...4. Exemplu e moulaţie trilogică 11...5. Concluzii 4

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice 1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE PRIVIND CONVERTOARELE STATICE Cuprins 1.1. Locul convertoarelor statice în fluxul energetic 1.. Caracterizarea energiei electrice la ieşirea convertorului static 1.3. Clasificarea convertoarelor statice 1.3.1. Clasificarea convertoarelor statice in punct e veere energetic 1.3.. Clasificarea convertoarelor statice in punct e veere al comutaţiei 5

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice 1.1 Locul convertoarelor statice în fluxul energetic Convertoarele statice (C.S.) sunt echipamente a căror parte e forţă conţine elemente semiconuctoare e putere. Convertoarele statice necomanate sunt construite cu ispozitive semiconuctoare necomanate (ioe) şi realizează conversia energiei electrice tot în energie electrică, moificânu-i acesteia parametrii, fără a permite reglarea puterii meii transmise sarcinii. Cursul se referă la convertoarele statice comanate care, sunt construite cu elemente semiconuctoare comanate şi care, pe lângă conversia energiei electrice, permit comana puterii meii transmise sarcinii. În fluxul energetic, convertorul static este plasat între generatorul primar e energie (G.P.), care furnizează energia electrică cu parametrii constanţi (amplituinea tensiunii, frecvenţa, etc.) şi sarcina (S), care este un consumator e energie electrică (fig. 1.1). BT GP BID CCI CS EP S Fig 1.1. Explicativă privin locul CS în fluxul energetic G.P. reprezintă sursa primară e energie electrică, furnizân e regulă energie electrică e curent alternativ sau e curent continuu cu parametrii constanţi. Poate fi : - baterie e acumulator; - reţea e alimentare; - transformator; - grup generator inepenent (motor cu arere interna + generator electric ); - microcentrale. S reprezinta sarcina, este un consumator e energie electrică. Aceasta poate fi: - motoare electrice; - cuptoare electrice; - cuptoare cu microune şi alte echipamente electrocasnice. 6

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice Convertorul static, împreună cu blocul e comană în circuit închis, formează omeniul electronicii e putere (E.P.). Pentru fluxul informaţional se întâlnesc următoarele blocuri: B.I.D. bloc e introucere a atelor, are rolul e a introuce atele iniţiale pentru comană. Este constituit in: - chei; - butoane; - tastatură; - cititoare e informaţie (unitate e isc optic) C.C.I. bloc e comană în circuit închis. Elaborează unul sau mai multe semnale e comană pe baza unei strategii e comană stabilite şi a unor mărimi ce caracterizează funcţionarea întregului sistem (intensitatea curentului, puterea electrică, viteza e rotaţie, etc.) B.T. blocul trauctoarelor are rolul e a converti mărimile culese in sistem în mărimi electrice (tensiuni sau curenţi) compatibile ca formă si valoare cu intrările C.C.I. C.C.I. împreună cu C.S. formează obiectul electronicii e putere. În sistemele moerne funcţiile C.C.I. sunt atribuite unui microprocesor sau unui calculator eicat. CS BC PF Fig 1.. Părţile componente ale convertoarelor statice Convertoarele statice conţin ouă părţi (fig. 1.): P.F. partea e forţă conţine elemente semiconuctoare e putere comanate sau semicomanate şi blocuri e protecţie aferente acestora. B.C. bloc e comană, este realizat cu elemente specifice curenţilor slabi şi are rolul e a genera semnalele e comană necesare elementelor semiconuctoare e putere şi e a le istribui acestora. Există ouă clase e convertoare statice: - Convertoare statice necomanate: partea e forţă este construită cu ioe, iar blocul e comană lipseşte; - Convertoare statice comanate: acestea permit comana puterii ce se stransfera e la G.P. la sarcină. Acestea fac obiectul cursului. 7

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice Comana transferului e putere se realizează prin moificare parametrilor energiei e ieşire (c.c sau c.a). static 1.. Caracterizarea energiei electrice la ieşirea convertorului Convertoarele statice furnizează energie ai cărei parametri au forme e ună iferite faţă e cele ale surselor clasice. Astfel energia e c.c. nu este caracterizată în regim permanent e tensiune şi curent constante, iar energia e c.a. nu este caracterizată e tensiune şi curent sinusoial. I. Energia e curent continuu Sursa clasică e c.c. este caracterizată e valorile U, I (fig.1.3) u i U I Fig.1.3. Formele e ună ale curentului şi ale tensiunii ce caracterizează sursa clasică t u i U 0 i T t Fig 1.4. Formele e ună ale curentului şi ale tensiunii ce caracterizează convertoarele statice 8

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice Convertoarele statice cu ieşirea în c.c. au tensiune şi curent variabile în timp, ar perioice (fig.1.4). Astfel, energia e c.c. e la ieşirea unui convertor static este caracterizată e valorile meii ale tensiunii şi curentului. Tensiunea meie se notează cu U şi este efinită astfel: (1.1) II. Energia e curent alternativ clasică este caracterizată e valorile tensiunii şi curentului ce au variaţii sinusoiale. u Astfel: Fig 1.5. Forma e ună a tensiunii ce caracterizează sursa clasică une: u,i valori instantanee; U,I valori efective sau eficace; U, I - amplituini; pulsaţia, efinită ca fiin: (1.) (1.3) α - faza iniţială a curentului. În cazul convertoarelor cu ieşire în c.a., curentul şi tensiunea nu mai au variaţii sinusoiale, ar sunt alternative şi simetrice (fig.1.6). 9

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice u i U 0 i Fig 1.6. Formele e ună ale curentului şi ale tensiunii ce caracterizează convertoarele statice În acest caz tensiunea şi curentul sunt caracterizate e: - valoare efectivă a funamentalei; - valoare efectivă globală sau totală; - factorul total e istorsiune armonică. O tensiune sau curent cu variaţie perioică şi simetrică se poate escompune în serie Fourier : (1.4) Se constată că: - termenii e sub sumă au pulsaţiile:,, 3, n (pulsaţiile sunt multipli ai pulsaţiei funamentale); pulsaţia funamentală corespune frecvenţei tensiunii reale care se escompune. - Ak, Bk se numesc amplituinile componentelor în sinus şi respectiv în cosinus. (1.5) Termenii corespunzători lui k = 1,, 3, n se numesc armonici. Pentru: k = 1 armonică funamentală; k > 1 armonică superioară. Uk reprezintă valoarea efectivă a armonicii e orinul k şi este: 10

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice - faza iniţială a armonicii e orinul k (1.6) Valoarea efectivă (totală sau globală) se efineşte astfel: (1.7) (1.8) Factorul total e istorsiune armonică caracterizează graul e eformare al unei respective (tensiune sau curent) faţă e una sinusoială. (1.9) O efiniţie mai veche care există încă în unele stanare este: (1.10) 1.3. Clasificarea convertoarelor statice Există ouă criterii mari în raport cu care se poate clasifica: I. C.S. in punct e veere energetic; II. C.S. in punct e veere al comutaţiei. energetic 1.3.1. Clasificarea convertoarelor statice in punct e veere 11

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice Reresor Reţea c.a. ~ U, f Invertor c.c. = U Cicloconvertor Variator e tensiune alternativă Convertor inirect e tensiune şi frecvenţă Variator e tensiune continuă c.a. ~ U, f c.a. ~ U 1, f 1 c.c. = U 1 Fig.1.7 Fluxul e energie în funcţie e iferitele tipuri e convertoare statice Se au în veere formele energiei electrice e la intrarea şi respectiv, ieşirea convertoarelor. Astfel, se eosebesc patru categorii e convertoare statice. 1. Convertoare statice c.a. c.c. sau reresoare, care realizează conversia energiei e c.a. în energie e c.c., iar prin comană se poate regla valoarea meie a tensiunii reresate (e ieşire). u c U, f = ct. ~ U =. Convertoare statice c.c. c.a. sau invertoare, care realizează conversia energiei e c.c. în energie e c.a., iar prin comană se poate regla frecvenţa tensiunii e ieşire şi eventual, valoarea efectivă a acesteia. 1

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice u c U = U, f = ct. 3. Convertoare statice c.c. c.c. numite şi variatoare e tensiune continuă, care convertec energia e c.c. avân parametrii constanţi, tot în energie e c.c. ar, căreia i se poate regla valoarea meie a tensiunii. Se mai întâlnesc sub enumirea e choppere (enumirea in limba engleză). u c U = U 1 = 4. Convertoare statice c.a. c.a., care realizează conversia energiei e c.a. avân parametrii constanţi (amplituine şi frecvenţă), tot în energie e c.a., ai cărei parametrii pot fi reglaţi prin comană. u c U, f = ct. U 1, f 1 ct. Din această categorie fac parte mai multe convertoare. 4.1. Variatoare e tensiune alternativă, care permit comana numai a valorii efective a tensiunii e la ieşire, frecvenţa acesteia fiin constantă şi egală cu cea a tensiunii e la ieşire. 4.. Convertoare statice e tensiune şi frecvenţă (C.S.T.F.), care prin comană permit reglarea atât a valorii efective a tensiunii e la ieşire, cât şi a frecvenţei acesteia. La rânul lor, upă moul în care se realizează conversia c.a. c.a., aceste convertoare sunt e ouă categorii: 13

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice A) C.S.T.F. irecte, numite şi cicloconvertoare, care realizează conversia c.a. c.a. în mo irect, fără a trece prin forma e c.c.. B) C.S.T.F. inirecte, care realizează conversia în ouă trepte c.a. c.c. c.a. Rezultă că, acestea conţin un reresor şi un invertor, iar între ele se află circuitul intermeiar e c.c. format, în general, intr-o bobină şi un conensator (fig. 1.8). u c1 u c U, f = ct. ~ u L C i ~ U 1, f 1 ct. R Conversie c.a. c.c. (Reresor) Circuit intermeiar e c.c. O Conversie c.c. c.a. (Invertor) Fig.1.8. Schema e principiu a convertorului static e tensiune şi frecvenţă inirect După caracterul circuitului intermeiar, C.S.T.F. inirecte pot fi: B1. C.S.T.F. e tensiune, cân circuitul intermeiar are caracter e sursă e tensiune, capacitatea C are valoare mare (sute sau mii e F), iar L poate lipsi. În acest caz tensiunea in circuitul intermeiar este practic constantă şi egală cu voaloare sa meie U. Invertorul istribuie pe fiecare fază a sarcinii această tensiune şi în consecinţă tensiunea pe sarcină este formată in una sau mai multe trepte ale căror valori sunt proporţionale cu U (tensiunea pe sarcină are o formă e ună sintetică). Curentul prin sarcină se formează în funcţie e parametrii sarcinii (spre exemplu, acă sarcina este pur rezistivă, curentul arată ca şi tensiunea). În acest caz, invertorul are o structură specifică şi se numeşte invertor e tensiune. B. C.S.T.F. e curent, cân circuitul intermeiar are caracter e sursă e curent, caracter imprimat prin valoarea importantă a inuctivităţii L, iar C poate lipsi. În acest caz, curentul in circuitul intermeiar este constant si egal cu valoarea sa meie I. Invertorul istribuie acest curent pe fazele sarcinii, astfel curentul e sarcină are forma e ună sintetică (fiecare alternanţă este formată in unul sau mai multe pulsuri reptunghiulare). Invertorul are o structură specifică şi se numeşte, şi el, invertor e curent. 14

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice Intoteauna, pentru reglarea frecvenţei tensiunii e ieşire, comana se aplică invertorului, iar upă moul în care se reglează valoarea efectivă a tensiunii e la ieşire, C.S.T.F. pot fi: B.a) C.S.T.F.I. cu moulaţie în amplituine. Moificarea valorii efective a tensiunii e ieşire, se face prin moificare amplituinii ei, aică prin moificarea valorii meii a tensiunii in circuitul intermeiar. Rezultă că, reresorul este comanat. B.b) C.S.T.F.I. cu moulaţie în urată (P.W.M). În acest caz, tensiunea sau curentul e la ieşire sunt formate in unul sau mai multe pulsuri e amplituini constante, ar e urate şi/sau frecvenţe moificabile prin comană. Rezultă că reresorul este necomanat, iar comana e moificare a valorii efective a tensiunii se aplică tot invertorului. comutaţiei 1.3. Clasificarea convertoarelor statice in punct e veere al În general în electrotehnică, prin comutaţie se înţelege trecerea curentului e sarcină e pe o ramură e circuit pe o altă ramură e circuit. Pentru realizarea comutaţiei este necesară o energie. În convertoarele statice laturile care comută curentul e sarcina conţin elemente semiconuctoare e putere, iar comutaţia se realizează prin închierea unui element semiconuctor şi eschierea altuia. Acest criteriu are în veere moul în care se asigură energia necesară blocării elementelor semiconuctoare. Există astfel: 1. Convertoare statice cu comutaţie externă sau naturală, la care energia necesară blocării elementelor există în mo natural în circuit şi provine e la o sursă externă (generatorul e putere sau sarcina). În această categorie intră: - reresoarele cu comutaţie naturală; - variatoarele e tensiune alternativă; - cicloconvertoarele; - invertoarele cu comutaţie e la sarcină (invertoare ce alimentează motoare sincrone).. Convertoare statice cu comutaţie internă sau forţată, la care energia necesară comutaţiei trebuie creată în structura convertorului (în cazul tiristoarelor) sau prin comană (în cazul elementelor semiconuctoare complet comanate). În cazul CS cu tiristoare şi comutaţie forţată, energia necesară comutaţiei se obţine prin încărcarea corespunzătoare a unor capacităţi. Din această categorie fac parte: 15

1. Noţiuni introuctive privin convertoarele statice - variatoarele e tensiune continuă; - invertoarele in componenţa CSTF inirect; - reresoarele şi cicloconvertoare cu comutaţie forţată. 3. Convertoare statice cu comutaţie prin zero se mai numesc rezonante sau cu comutaţie "soft". Tensiunea şi/sau curentul prin elementele care comuta au o astfel e variaţie încât perioic trec prin zero. Comutaţia se realizează prin momentele e trecere prin zero ale tensiunii sau curentului. Astfel energia necesara comutaţiei este foarte mică, teoretic zero. Reprezintă o clasă recentă e convertoare statice. (1.11) une: pt reprezintă piererile e comutaţie; WT reprezintă energia necesară comutaţiei. Utilizarea tot mai extinsă a elementelor semiconuctoare complet comanate, chiar şi în componenţa reresoarelor, face necesară reconsierarea acestui ultim criteriu e clasificare, conceput cân în construcţia convertoarelor statice se utilizau, în exclusivitate, tiristoare şi ioe. Se propune astfel, rept criteriu, semnalul e sincronizare care etermină intervalul în care comutaţiile pot avea loc. În acest sens, prin convertoare statice cu comutaţie externă (ar nu neapărat naturală), se înţeleg acele convertoare statice la care semnalul e sincronizare se ia in exteriorul convertorului, e la generatorul e putere. Aceste convertoare statice sunt cele care au la intrare energie e c.a.: - reresoarele; - variatoarele e tensiune alternativă; - cicloconvertoarele. Pe e altă parte, prin convertoare statice cu comutaţie internă se înţeleg acele convertoare statice la care momentele e comutaţie nu trebuiesc sincronizate cu o mărime aferentă circuitului e forţă. În această categorie intră convertoarele statice care au la intrare energie e c.c., respectiv: - variatoarele e tensiune continuă; - invertoarele. 16

. Elemente semiconuctoare e putere. ELEMENTE SEMICONDUCTOARE DE PUTERE: DIODA ȘI TIRISTORUL Cuprins.1. Introucere.. Dioa.3. Tiristorul.3.1. Caracteristici.3.. Comana tiristoarelor.4. Elemente complet comanate: Tiristorul cu blocare pe poartă (GTO).4.1. Caracteristici.4.. Comana tiristoarelor GTO 17

. Elemente semiconuctoare e putere.1. Introucere Creşterea puterii, atât în tensiune cât şi în curent, comana simplă şi reucerea costurilor elementelor semiconuctoare e putere sunt argumente care, vor etermina în următorii ani, utilizarea convertoarelor statice e putere în noi omenii, ca şi crearea e noi structuri şi topologii. Posibilitatea folosirii elementelor semiconuctoare într-un anume tip e convertor static (C.S.), cu o topologie sau alta, este reliefată e caracteristica curent - tensiune, viteza e comutaţie şi e caracteristicile e comană, ale acestora. Dacă elementele semiconuctoare e putere sunt consierate comutatoare ieale, analiza funcţionării unui C.S. poate fi mult uşurată, evienţiinu-se astfel, mai simplu, principalele particularităţi funcţionale. Elementele semiconuctoare e putere pot fi clasificate în trei grupe, upă posibilităţile e comană: 1. Dioe - la care intrarea şi ieşirea in conucţie sunt eterminate e partea e forţă, respectiv nu sunt comanate.. Tiristoare - la care intrarea în conucţie se face prin comană, ar blocarea se face cu un circuit e putere. 3. Elemente complet comanate - la care atât eschierea cât şi închierea se fac prin comană. În această grupă intră tranzistoarele bipolare (Bipolar Power Transistors - BPT), tranzistoarele MOS cu efect e cåmp (MOS Fiel Effect Transistors - MOSFET), tiristoarele cu blocare pe poartă (Gate Turn Off Thyristors - GTO), tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (Insulate Gate Bipolar Transistors - IGBT), tranzistoarele cu inucţie statică (Static Inuction Transistors - SIT), tiristoarele cu inucţie statică (Static Inuction Thyristors - SITh) şi tiristoarele cu comană MOS (Mos Controlle Thyristors - MCT)... Dioa Simbolul şi caracteristicile ioei sunt arătate în fig..1, eosebinu-se, ca terminale, anoul A şi catoul K. Caracteristica curent - tensiune arată că, acă ioa este polarizată în sens irect (uak > 0), aceasta este în conucţie, iar curentul prin ea creşte rapi, căerea e tensiune fiin mică (1- V), iar acă este polarizată în sens invers (uak < 0), curentul reziual în sens invers este foarte mic, atât timp cât tensiunea nu epăşeşte valoarea maxim amisibilă VRRM, (VRRM - tensiunea repetitivă maxim amisibilă în sens invers), ceea ce corespune stării e blocare. Depăşirea, chiar pentru scurt timp, a acestei valori uce la istrugerea ioei prin străpungere. 18

. Elemente semiconuctoare e putere Avân în veere aceste aspecte, caracteristica poate fi iealizată ca în fig..1., consierânu-se căerea e tensiune nulă pe ioa în conucţie (polarizată în sens irect) şi curentul nul prin ioa blocată (polarizată în sens invers). Dioa poate fi consierată un comutator ieal, eoarece timpii e comutaţie (intrare în conucţie sau blocare) sunt mult mai mici ecât urata regimurilor tranzitorii ce au loc în circuitul e forţă. A i D u AK K a) b) i D i D -V RRM u AK -V RRM u AK c) ) Fig..1 Dioa: a) etalii constructive, b) simbol, c) caracteristica curent tensiune, reală, ) caracteristica curent - tensiune ieală Astfel, la blocarea ioei (fig..) curentul evine negativ un timp reus trr, numit timp e comutare inversă, atingân valoarea maximă negativă IRM. Aria haşurată reprezintă sarcina stocată, care trebuie eliminată in joncţiune. Se menţionează că, trr şi IRM nu influenţează sensibil funcţionarea C.S. şi eci ioele pot fi consierate comutatoare ieale. În construcţia C.S. se utilizează trei tipuri e ioe: 1. Dioe normale (reresoare), caracterizate prin timpi e comutare relativ mari, curenţi e până la câţiva kiloamperi şi tensiuni inverse e orinul kilovolţilor.. Dioe Schottky, caracterizate printr-o căere e tensiune în sens irect mică, (~ 0.3V ) şi tensiuni inverse e 50-100V. 3. Dioe rapie (e comutaţie), estinate a fi utilizate în circuitele e înaltă frecvenţă, în combinaţie cu elemente comanate şi avân timpul e comutare e orinul μs. 19

. Elemente semiconuctoare e putere i D I D t rr t 0 t 1 t t Q rr -I RM u AK t -U b -V RM Fig.. Variaţia curentului prin ioă şi a tensiunii pe ioă in timpul blocării.3. Tiristorul.3.1. Caracteristici Tiristorul este un element comanat la intrarea în conucţie, avân trei terminale: anoul A, catoul K şi grila G (fig..3). În absenţa unui curent în circuitul G-K, tiristorul poate bloca, atât în sens irect, cât şi în sens invers, tensiuni până la valorile VDRM, respectiv VRRM. Curenţii reziuali în stare blocată ID, în sens irect, şi respectiv, în sens invers - IR, sunt foarte mici. Depăşirea, chiar pentru scurt timp, a tensiunilor maxim amisibile uce la istrugerea tiristorului. Dacă tiristorul este polarizat în sens irect, el poate intra în conucţie, necesitân injectarea în circuitul G-K a unui curent cu atât mai mare cu cât tensiunea e polarizare este mai mică. Se remarcă valoarea reusă a căerii e tensiune pe tiristorul aflat în conucţie (1 -,5V), şi că, upă intrarea în conucţie, nu mai este necesar un curent e grilă. La scăerea curentului sub valoarea e menţinere (IH) tiristorul se blochează. Caracteristica ieală (fig..3.c) corespune ipotezelor e stuiu, respectiv, în stare blocată curentul prin tiristor este nul, iar în stare e conucţie căerea e tensiune pe tiristor este nulă. 0

. Elemente semiconuctoare e putere A i T i G u AK K a) b) i T i T -VRRM IH ig1> 0 ig= 0 u AK -VRRM u AK ig > ig1 VDRM VDRM c) Fig..3 Tiristorul: a) tipuri constructive ; b) simbol ; c) caracteristica curent tensiune reală; ) caracteristica curent tensiune ieală. ) La blocare, upă anularea curentului prin tiristor (fig..4) şi până cân acesta poate prelua tensiune în sens irect, trebuie să treacă un timp tq, numit timp e revenire. Polarizarea în sens irect a tiristorului, upă un timp mai mic ecât tq, prouce reintrarea acestuia în conucţie fără impuls e comană. i T I T t rq t -I RM u AK t q t -V RM Fig.4 Variaţiile curentului prin tiristor şi a tensiunii la bornele sale, în timpul blocării.3. Comana tiristoarelor Pentru intrarea normală în conucţie a unui tiristor, trebuie îneplinite trei coniţii: - tiristorul să fie polarizat în sens irect (uak > 0); 1

. Elemente semiconuctoare e putere - să i se aplice un impuls e comană pozitiv între G şi K, avân un nivel energetic corespunzător; - la ispariţia impulsului e comană, curentul prin tiristor să epăşească valoarea e acroşaj (IL). Cerinţele impuse semnalului e comană sunt ilustrate e caracteristica curenttensiune e grilă (fig..5), care inică o zonă în care, amorsarea tiristorului este sigură. Zona haşurată, eterminată e valorile minime ale curentului şi tensiunii, trebuie evitată, eoarece amorsarea este posibilă numai în anumite coniţii. i G P Gmax I Gmin u GK U GKmin Fig..5 Caracteristica e comană a unui tiristor + R 1 C D 1 A Th * * TI T R D K Fig..6 Schema e comană a unui tiristor prin transformator e impuls În C.S. e putere, impulsul e comană nu se aplică irect pe grila tiristorului, fiin necesare, pe e o parte, o amplificare energetică a impulsului, şi pe e alta, o separare între partea e comană şi cea e forţă. Amplificarea se realizează cu unul sau ouă etaje e amplificare, iar separarea, cel mai frecvent, cu ajutorul unui transformator e impuls (fig..6.). Rolul rezistenţei R1 este e a limita curentul prin tranzistorul amplificator, iar ioele D1 şi D permit aplicarea pe grilă,

. Elemente semiconuctoare e putere numai a impulsurilor pozitive (transformatorul fiin un element e erivare) şi isiparea energiei corespunzătoare impulsurilor negative (pe rezistenţa R). Blocarea tiristoarelor nu este posibilă prin comană irectă, ci se poate obţine în următoarele mouri: 1. scăerea naturală a curentului în sens irect, sub valoarea e menţinere IH;. evierea curentului anoic printr-o altă latură e circuit, e impeanţă scăzută; 3. aplicarea unei tensiuni inverse pe tiristor (polarizarea în sens invers). În convertoarele statice cu comutaţie forţată, cu tiristoare, se combină ultimele ouă moalităţi e blocare. Tiristoarele sunt caracterizate e un mare număr e parametri, cei mai importanţi fiin: valoarea meie nominală a curentului (ITAVM), valorile maxime repetitive ale tensiunilor în sens irect (VDRM) şi respectiv invers (VRRM), panta e creştere maxim amisibilă a curentului (i/t) şi panta e creştere maxim amisibilă a tensiunii reaplicate în sens irect (u/t). S-au construit tiristoare normale, avân ITAVM până la 4000 A, iar clasa e tensiune (VDRM, VRRM), e 5-7 kv, avân căeri e tensiune în conucţie e 1,5V pentru VDRM < 1000 V şi e 3 V pentru VDRM = (5-7) kv..4. Elemente complet comanate: Tiristorul cu blocare pe poartă(gto) Caracteristică tuturor acestor elemente, este posibilitatea blocării prin comană. Simbolul general (fig..7) arată că, în conucţie, un astfel e element este parcurs e curentul it în sensul inicat e săgeată, iar în stare blocată, poate prelua tensiunea ut. i T u T Fig..7 Simbolul general al unui element semiconuctor complet comanat Un element complet comanat, ieal, se comportă în felul următor: 1. În stare blocată, curentul este nul atunci cân tensiunea e polarizare se moifică în limitele amise;. În stare e conucţie, tensiunea pe element este nulă; 3. Trecerea in stare blocată în stare e conucţie şi invers, se face instantaneu. 3

. Elemente semiconuctoare e putere Tiristorul cu blocare pe poartă (GTO).4.1. Caracteristici Asimilat în literatura in ţara noastră prin abrevierea numelui în limba engleză (GTO: Gate-Turn-Off Thyristor), tiristorul cu blocare pe poartă (fig..8) este un ispozitiv cu structură pnpn, care poate fi amorsat la fel ca şi tiristorul, respectiv, prin injectarea unui curent pozitiv în circuitul G-K ar, poate fi şi blocat prin extragerea unui curent in circuitul G-K. Practic, pe acelaşi terminal (grila), se aplică un impuls pozitiv pentru intrarea în conucţie şi respectiv, unul negativ pentru blocare. Posibilitatea blocării prin comană pe poartă, conferă GTO un gra sporit e flexibilitate în utilizarea sa în convertoarele statice e putere şi conuce la următoarele avantaje: - iminuarea numărului componentelor electronice e putere; - reucerea gabaritului; - creşterea fiabilităţii; - iminuarea costurilor. A i T i G u AK K a) b) -VRRM i T IH ig1> 0 ig= 0 u AK -VRRM i T u AK ig > ig1 VDRM VDRM c) ) Fig..8 Tiristorul cu blocare pe poartă: a) etalii constructive ; b) simbol ; c) caracteristica curent tensiune reală ; ) caracteristica curent tensiune ieală 4

. Elemente semiconuctoare e putere Se menţionează necesitatea unei scheme e comană complexe. Pe lângă parametrii ce caracterizează un tiristor, tiristoarele GTO au o serie e parametri specifici, ce caracterizează, în special, procesul e blocare: 1. Curentul anoic, maxim controlabil pe poartă, în regim nerepetitiv (ITQM) este valoarea maximă a curentului anoic care poate fi întrerupt sigur, printr-un impuls negativ aplicat pe grilă.. Curentul anoic, maxim controlabil pe poartă, în mo repetitiv (ITQRM) este valoarea maximă a curentului ce poate fi întrerupt sigur, în mo repetat. Trebuie astfel, precizată şi frecvenţa e comană. Datorită piererilor în comutaţie, ITQRM < ITQM (chiar e ouă ori). 3. Timpul e blocare (tqq) se specifică, e regulă, pentru curentul anoic ITQRM, la temperatura maximă a joncţiunii şi reprezintă timpul care se scurge e la aplicarea impulsului negativ pe grilă, până la blocarea fermă a elementului. 4. Sarcina stocată (Qqq) reprezintă sarcina ce trebuie extrasă prin grilă în timpul tqq. 5. Câştigul operaţional în curent, la blocare, G off I I TQRM GRM, (.1) este raportul intre curentul anoic, maxim controlabil în mo repetitiv şi amplituinea IGRM a curentului corespunzător în circuitul e grilă. Acest parametru are valori cuprinse între 1 şi 4 şi ilustrează unul in principalele ezavantaje ale tiristoarelor GTO, respectiv, necesitatea utilizării unui impuls e curent pentru blocare, avân valoarea e vârf comparabilă cu valoarea curentului ce trebuie blocat. 6. Valoarea critică a pantei e creştere a tensiunii reaplicate în sens irect, la stingerea tiristorului (VD/t)cr. 7. Tensiunea inversă maximă pe poartă (VGRM) reprezintă valoarea maximă absolută a tensiunii negative ce poate fi aplicată pe grilă. Are valori tipice între 7 si 0 V. 8. Rata critică e creştere a curentului invers pe poartă (igr/t)cr, avân valori uzuale între 1A/μs şi 30 A/μs..4.. Comana tiristoarelor GTO Cerinţele circuitelor e amorsare a tiristoarelor GTO sunt similare celor aferente tiristoarelor e construcţie normală. În plus, ţinân seama e valoarea relativ mare a curentului e menţinere IH, este necesară menţinerea unui curent în circuitul grilă-cato, pe toată urata conucţiei. 5

. Elemente semiconuctoare e putere i G I GP I GC t - I GR Fig.9 Variaţia curentului prin circuitul grilă cato, al unui GTO intr-un ciclu e funcţionare În ceea ce privesc cerinţele e comană a blocării, acestea trebuie să ţină seama e mai multe aspecte. 1. Amplituinea (IGRM) şi urata impulsurilor negative e comană sunt superioare valorilor tipice ale parametrilor corespunzători semnalelor e amorsare.. Valoarea maximă a tensiunii inverse este limitată, ceea ce limitează, la rânu-i, amplituinea curentului maxim extras prin grilă. 3. Rezistenţa internă grilă-cato (RGK) "văzută" e etajul final e alimentare a porţii, îşi moifică substanţial valoarea în timpul procesului e blocare, (e la circa 10 mω, la sute e ohmi), ceea ce provoacă reucerea progresivă a curentului extras prin poartă, eoarece VGR este limitată. 4. Panta e creştere a semnalului negativ aplicat pe grilă, trebuie să minimizeze timpul e blocare. Panta (igr/t) epine e puterea tiristorului. Astfel, spre exemplu, acă ITQRM = 600A şi Goff = 3, rezultă IGRM = 00A şi păstrân aceeaşi pantă e creştere a curentului, e 5A/μs, ca şi la un GTO avân ITQRM=50A, blocarea se obţine în circa 40 μs, ceea ce este inamisibil. Pentru a se realiza pante e creştere e 0 30 A/μs, se utilizează surse e tensiune constantă e până la 30 V. Într-un ciclu e funcţionare (amorsare - blocare), curentul în circuitul grilă - cato are o variaţie tipică ca în fig..9 evienţiinu-se următoarele aspecte: - pentru amorsare se aplică pentru un timp scurt, (în veerea limitării piererilor), un impuls pozitiv e curent, e amplituine mărită IGP; - eoarece curentul e menţinere IH are valori mari, se menţine, pe toată urata conucţiei, un curent e grilă e valoare reusă IGC. Practic, acest curent se obţine aplicânu-se în circuitul G-K o tensiune e +5V; 6

. Elemente semiconuctoare e putere - în perioaa blocării, în circuitul G-K există un curent negativ cu pantă mare e creştere şi e amplituine IGR. O posibilitate e obţinere a impulsurilor e comană, constă în utilizarea transformatoarelor e impuls. A Dz + R 1 - + C G Th T 1 T R T TI K - Fig..10 Schema e comană a GTO cu transformator e impuls Schema in fig..10 utilizează transformatorul e impuls cu prize meiane, atât în primar, cât şi în secunar, pentru transmiterea unui tren e impulsuri necesar amorsării. Acest tren e impulsuri, se obţine prin comana alternativă, cu frecvenţa trenului e impulsuri, a celor ouă tranzistoare MOSFET, T1 şi T, iar ioa Zener Dz permite existenţa curentului IGC. Impulsul e curent la aprinere, e amplituine IGP este curentul e încărcare a conensatorului C, iar pentru blocare, se comană tiristorul T, prin care se escarcă conensatorul, obţinân astfel o pantă mare e creştere a curentului, cât şi amplituinea necesară. 7

3. Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT, SITh 3. ELEMENTE SEMICONDUCTOARE DE PUTERE: BPT, MOSFET, IGBT, SITh Cuprins 3.1. Tranzistoare bipolare e putere (BPT) 3.1.1. Caracteristici 3.1.. Comana tranzistoarelor bipolare e putere 3.. Tranzistoare cu efect e câmp, e putere (MOSFET e putere) 3..1. Introucere 3... Structura e bază 3..3. Caracteristici 3..4. Valori limită absolută 3..5. Comana MOSFET 3.3. Tranzistoare bipolare cu bază izolată IGBT 3..1. Introucere 3... Structura e bază 3..3. Caracteristici 3..4. Valori limită absolută 3..5. Comana IGBT 3.4. Tiristoare cu cu inucţie statică SITh 3.4.1. Introucere 3.4.. Structura e bază 3.4.3. Caracteristici 3.4.4. Valori limită absolută 3.4.5. Comană şi protecţie 8

3.Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT 3.1. Tranzistoare bipolare e putere (BPT) 3.1.1. Caracteristici Tranzistoarele e putere funcţionân în regim e comutaţie, sunt eja folosite pe scară largă în construcţia convertoarelor statice. Caracteristicile curent tensiune (fig. 3.1.c) arată că, în absenţa unui curent pozitiv în baza (B), tranzistorul este blocat, fiin parcurs e un curent foarte mic, practic nul şi putân bloca tensiuni UCE într-o plajă largă. Printr-un curent e bază aecvat, se poate obţine curentul I în zona e saturaţie une, căerea e tensiune pe element (UCE(sat)) este reusă (1-V). B i B C i C u CE E a) b) i C 1 i C 3 ib croît I B=0 u CE c) ) Fig. 3.1 Tranzistorul bipolar e putere: a) etalii constructive ; b) simbol; c) caracteristica curent - tensiune (e ieşire) reală; ) caracteristica curent - tensiune (e ieşire) ieală. u CE Curentul e bază necesar este : (3.1) Se subliniază că, spre eosebire e tiristoare, curentul e bază trebuie menţinut pe toată urata conucţiei, anularea sa proucân blocarea tranzistorului. Deoarece amplificarea în curent are valori uzuale numai 5 10, tranzistoarele e putere se construiesc, e regulă, în montaj Darlington (ublu sau triplu) în acelaşi chip (Darlington monolitic) (fig. 3.). 9

3. Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT, SITh i C C i C C i B i B T 1 B T 1 T B T E a) b) Fig. 3. Tranzistoare în montaj Darlington: a) ublu; b) triplu T 3 E Tranzistoarele nu pot prelua tensiuni în sens invers, motiv pentru care, în CSP se montează cu câte o ioe în antiparalel. Principalii parametrii ce caracterizează funcţionarea unui tranzistor sunt: 1. valoarea meie maximă a curentului e colector IC, în regim permanent;. valoarea e vârf a curentului e colector ICM, în regim tranzitoriu (e regulă pentru o urată e 10ms); 3. valoarea maximă a tensiunii colector emitor, în stare blocată, cu bază nepolarizată (VCE0); 4. valoarea maximă a tensiunii colector emitor, în stare blocată, cu baza polarizată negativ (VCEX) care, este mai mare ecât VCE0 şi arată moalitatea e a creşte capacitatea în tensiune, a unui tranzistor. S-au construi tranzistoare avân VCE0 1400V şi IC e până la 300A; 5. frecvenţa e lucru este situată între 0.5 şi 5kHz. până la 3.1.. Comana tranzistoarelor bipolare e putere În convertoarele statice, tranzistoarele lucrează ca întrerupătoare, eci trebuie să fie astfel comanate, încât în regim staţionar să se afle în una in cele ouă stări : saturaţie sau blocare. Trebuie să se ţină seama e trei aspecte: 1. Comana trebuie astfel aplicată încât tranzistorul să fie în saturaţie, pentru un curent e colector suficient e mare. În acelaşi timp, suprasaturarea sa prouce, pe lângă scăerea căerii e tensiune, creşterea timpului e blocare şi eci, cân se lucrează la 30

3.Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT frecvenţe riicate, curentul e bază trebuie să se moifice continuu, în funcţie e curentul e sarcină;. În perioaa e intrare în conucţie, panta e creştere a curentului e bază este foarte mare şi poate conuce la epăşirea valorii e saturare pentru urate scrute, e 3μs (IB IBsat), (fig 3.3); 3. În perioaa e blocare, forma e ună a curentului e bază, trebuie să permită anularea, practic instantanee, a curentului colector emitor. Timpul e blocare poate fi minimizat printr-o pantă negativă a curentului e bază, foarte mare (în valoare absolută) şi anularea simultană a curentului e bază şi colector. În acest caz, rezultă însă un curent e bază, negativ, foarte mare, e orinul curentului colector emitor. Au loc totoată şi alte fenomene (joncţiunea colector emitor se polarizează invers) ce pot istruge tranzistorul. O comană care răspune acestor exigenţe este ilustrată în fig. 3.4. Dioa D1 are rolul e a limita suprasaturarea tranzistorului limitân curentul e bază la valori e maxim IBsat în regim tranzitoriu şi la IBsat în regim e conucţie şi e a împieica polarizarea negativă a joncţiunii B C. Dioa D permite, împreună cu D1, menţinerea, în stare e conucţie, a relaţiei UCE UBE Fig. 3.3 Formele e ună, la comana corecta a unui tranzistor e putere 31

3. Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT, SITh + R 1 C 1 C D AS B 1 T 1 T D 1 B T L D E - R Fig. 3.4 Comana tranzistoarelor e putere, cu forţarea blocării şi ioe antisaturaţie Aaptarea curentului e bază la valoarea curentului e sarcină, astfel încât tranzistorul să nu se suprasatureze, se explică scriin expresia tensiunii e polarizează ioa D1, in ecuaţia e echilibru a tensiunilor Astfel, cân tranzistorul are teninţa e a intra în saturaţie, tensiunea colector emitor scae sub tensiunea ioa D1 se polarisează în sens irect, iar o parte a curentului e comană este erivat prin colector, ceea ce conuce la scăerea curentului e bază. Acest lucru se întâmplă atunci cân curentul e sarcină este mai mic ecât valoare maximă corespunzătoare curentului e comană maxim. Dacă D1 este in conucţie, şi eci, Forţarea blocării se realizează cu o sursă e tensiune negativă, cu rezistenţa internă mică. Limitarea pante şi e scăere a curentului e bază se obţine cu inuctivitatea L. Evient, ioa D3 permite existenţa curentului e bază negativ. 3

3.Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT 3.. Tranzistoare cu efect e câmp, e putere (MOSFET e putere) 3..1. Introucere Tranzistoarele e tip metal-oxi-semiconuctor, cu efect e câmp (MOSFET), cu mare capacitate în curent în stare e conucţie şi mare capacitate în tensiune în stare blocată, şi implicit utilizarea lor în electronica e putere, s-au ezvoltat începân in anii 1980. Ele au înlocuit BPT, în special, în omeniul frecvenţelor înalte. 3... Structura e bază Un MOSFET e putere are o structură compusă in patru straturi orientate vertical, straturi ce alternează, fiin opate cu purtători "p" şi respectiv "n". Structura n+pn-n+ este numită în sens larg, MOSFET cu canal n. Poate fi fabricată o structură cu opare inversă şi se numeşte MOSFET cu canal p. Tehnologia e realizare a MOSFET cu canal n este mai simplă şi, in acest motiv, acestea se folosesc în exclusivitate în electronica e putere. Simbolul MOSFET-ului cu canal n, este reprezentat în fig. 3.5.b. Ca şi BPT, MOSFET-ul are trei terminale: D (renă), S (sursă) - terminale e forţă şi G (grilă sau poartă) - terminal e comană. Uzual, sursa este un terminal comun pentru forţă şi comană. id D a) G uds b) ugs S id ugs4 id ugs3 ugs UGS ugs1 ugs < ugs(th) uds uds c) UDSM Fig. 3.5 Tranzistorul MOSFET cu canal N: a) etalii constructive ; b) simbol; c) caracteristica curent - tensiune (e ieşire) reală; ) caracteristica curent - tensiune (e ieşire) ieală. ) UDSM 33

3. Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT, SITh 3..3. Caracteristici Caracteristicile e ieşire, curent e renă în funcţie e tensiunea renă-sursă, cu tensiunea grilă-sursă ca parametru, sunt arătate în fig. 3.5.c, pentru MOSFET-ul cu canal n. Pentru MOSFET-ul cu canal p, caracteristicile e ieşire sunt similare ar, pentru că atât curentul e renă cât şi tensiunea renă-sursă îşi schimbă polaritatea, ele se vor găsi în caranul III al planului I D - U DS. În convertoarele statice, MOSFET-urile sunt folosite ca întrerupătoare comanate, pentru a regla puterea transmisă sarcinii. MOSFET-ul este în stare e blocare acă tensiunea grilă-sursă este inferioară valorii e prag U GS(th) şi în stare e conucţie acă tensiunea grilă-sursă este suficient e mare. Pentru a rămâne în conucţie, MOSFET necesită aplicarea continuă pe grilă a unei tensiuni. Curentul e grilă este practic nul, cu excepţia timpilor e comutaţie in stare e blocare în stare e conucţie şi invers, cân capacitatea parazită grilă-sursă se încarcă şi respectiv, se escarcă. Timpii e comutaţie sunt foarte mici, e orinul sutelor e ns, în funcţie e tipul elementului. Rezistenţa renă-sursă în stare e conucţie (r DS(on) ), creşte rapi cu tensiunea maximă e blocare. Rezistenţa pe unitatea e suprafaţă, poate fi exprimată prin: rds(on) = k UDSM.5...7, (3.) une k este o constantă ce epine e geometria elementului. Din această cauză, cu creşterea clasei e tensiune rezultă şi creşterea piererilor în conucţie. Oricum, funcţionân la frecvenţe e comutaţie înalte, piererile în conucţie au ponere reusă. Din acelaşi motiv, înlocuirea BPT cu MOSFET, este inicată la frecvenţe e peste 30100 khz. MOSFET- urile sunt isponibile la tensiuni e lucru e peste 1000 V la curenţi mici (10 0 A), şi la tensiuni reuse (câteva sute e V), la curenţi e peste 100 A. Tensiunea maximă e comană (grilă-sursă), este e 0 V cu toate că MOSFET-urile pot fi comanate cu semnal e 5V. MOSFET-urile pot fi conectate simplu în paralel, eoarece rezistenţa renă-sursă are coeficient pozitiv e variaţie cu temperatura. 3..4. Valori limită absolută MOSFET-urile au ouă valori e tensiuni care nu pot fi epăşite şi anume: 34

3.Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT - U DSM - tensiunea renă-sursă maxim amisibilă; - U GSM - tensiunea grilă sursă maxim amisibilă. Deşi, teoretic, MOSFET -urile pot suporta tensiuni grilă-sursă e 50100 V, valorile tipice pentru U GSM sunt e 030 V. Pentru protecţia la supratensiunile tranzitorii ce pot apare, între G şi S se conectează în serie, invers, ouă ioe zener a căror tensiune e prag trebuie să fie inferioară valorii U GSM. Domeniul frecvenţelor e lucru este cuprins între 5 şi 100 khz. 3..5. Comana MOSFET Vitezele e variaţie ale curentului şi tensiunii renă-sursă sunt epenente e curentul in circuitul grilă-sursă, în perioaele e încărcare şi escărcare ale capacităţii parazite. La rânul lui, curentul prin capacitatea parazită, la încărcare şi escărcare, epine e tensiunea aplicată în circuitul e comană. Avantajul unor comutaţii rapie constă în reucerea piererilor e comutaţie, ar o comutaţie rapiă etermină un nivel mare al zgomotelor electromagnetice şi apariţia unor supratensiuni în inuctivităţile înseriate cu elementul, rezultân astfel, necesitatea unui compromis. De reţinut că, pentru o comutaţie suficient e rapiă, curentul e grilă poate lua valori e vârf e orinul 1A sau mai mult. Semnalul e comană se obţine e la un circuit logic sau e la un μp, ar acest semnal nu poate fi folosit irect pentru comana MOSFET, eoarece nu poate asigura curentul necesar. Rezultă astfel că, între circuitul logic şi MOSFET se interpune un circuit e amplificare. Un circuit e comană simplu, ce poate fi utilizat la frecvenţe e comutaţie reuse, este arătat în fig. 3.6. Cân tranzistorul e ieşire al comparatorului este în conucţie, în circuitul G-S al MOSFET se aplică căerea e tensiune pe tranzistor, care este inferioară valorii e prag UGS(th) şi eci MOSFET-ul este blocat. În acest timp, sursa V+ este pusă la masă prin rezistenţa R1, care trebuie să fie mai mare pentru a limita piererile. Cân tranzistorul e ieşire al comparatorului este blocat, tensiunea V+ se aplică în circuitul G-S prin rezistenţele R1, R, în serie. În acest fel, curentul e grilă este mic şi eci timpul e amorsare este mare. 35

3. Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT, SITh Fig. 3.6 Circuit pentru comana MOSFET, la frecvenţe reuse. La blocare, schema nu permite existenţa curentului e grilă negativ (escărcarea capacităţii parazite grilă- sursă) şi timpul e blocare este, e asemenea, mare. Reucerea timpului e blocare se poate obţine prin crearea unui circuit e escărcare a capacităţii parazite grilă-sursă (fig. 3.7). Pe lângă posibilitatea e escărcare a capacităţii parazite grilă-sursă prin tranzistorul pnp T, curentul e grilă maxim al MOSFET este limitat numai e R, imensionată numai în funcţie e valoarea orită a curentului e grilă. Rezultă astfel, posibilitatea obţinerii unor timpi e comutaţie reuşi. Fig. 3.7 Circuit e comană a MOSFET pentru reucerea timpului e blocare 36

3.Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT Schema poate fi transformată astfel încât să permită aplicarea unei tensiuni negative în circuitul grilă-sursă, pe urata blocării (fig. 3.8). Fig. 3.8 Circuit e comană a MOSFET, cu polarizarea inversă a circuitului G S, pe urata blocării 3.3. Tranzistoare bipolare cu bază izolată (IGBT) 3.3.1. Introucere BPT şi MOSFET au caracteristici complementare în câteva irecţii. Astfel, BPT au piereri reuse în conucţie, la tensiuni e blocare mari, ar au timpi e comutaţie mari, în special la blocare. MOSFET au timpi e comutaţie reuşi, ar piererile în conucţie sunt mari. De aici, ieea combinării monolitice a BPT şi MOSFET şi apariţia unui nou element - IGBT. 3.3.. Structura e bază Ca şi MOSFET, IGBT prezintă o structură orientată vertical ar, spre eosebire e acesta, s-a aăugat un nou strat p+. Deci, un IGBT este erivat intr-un MOSFET cu canal n şi are o structură n+pn-n+p+. Stratul aăugat p+ constituie rena IGBT-ului. Densitatea e opare a stratului n+, vecin renei, influenţează irect capacitatea e blocare în sens irect şi respectiv timpul e blocare. Cel mai utilizat simbol în literatura e specialitate pentru IGBT este reprezentat în figura 3.9.b. 37

3. Elemente semiconuctoare e putere: BPT, MOSFET, IGBT, SITh a) C i C C G u CE b) G c) u GE E Fig. 3.9 Tranzistorul bipolar cu poartă izolată: a) etalii constructive; b) simbol ; c) schema echivalentă E 3.3.3. Caracteristici Caracteristicile e ieşire (reală şi ieală), curent e renă în funcţie e tensiunea renă-sursă, cu tensiunea grilă-sursă ca parametru, sunt arătate în fig. 3.10, pentru un IGBT cu canal n. La polarizarea în sens irect, IGBT este blocat acă tensiunea grilă-sursă este inferioară valorii e prag U GS(th). Pentru tensiuni grilă-sursă superioare valorii U GS(th), IGBT se comportă, în zona activă, ca o sursă e curent. În CS, IGBT funcţionează în regim e comutaţie, eci punctul e funcţionare trebuie să se găsească pe porţiunea liniar-crescătoare a caracteristicilor, une căerea e tensiune este reusă şi variază puţin în funcţie e curent. La polarizarea în sens invers, cu tensiuni mai mici, în moul, ecât U RM, IGBT este blocat. Dacă tensiunea e polarizare în sens irect epăşeşte valoarea maximă amisibilă U DSM, curentul renă-sursă creşte necontrolabil, iniferent e valoarea tensiunii grilă-sursă, fenomenul putân prouce istrugerea termică a elementului. Este semnificativ e remarcat că, IGBT îmbină avantajele GTO (capacitate e blocare în sens invers), ale BPT (căere e tensiune mică, în conucţie) şi ale MOSFET (comană în tensiune şi frecvenţă e comană riicată). 38