Elementy energoelektroniczne

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych

Maciej Tondos

ELEMENTY

ENERGOELEKTRONICZNE

Fot. Jeden z modułów mocy produkowanych obecnie przez firmę Mitsubishi

Spis Treści

1. Wstęp – 3

1.1  Wiadomości podstawowe – 3

1.2  Podział elementów półprzewodnikowych mocy – 3

2. Diody - 5

              2.1 Wiadomości ogólne - 5

              2.2 Parametry charakterystyczne - 6

              2.3 Przebiegi w stanach dynamicznych - 7

              2.4 Diody szybkie – diody Schottky’ego - 8

              2.5 Zastosowanie diod mocy – 9

3. Tyrystory - 10

              3.1 Wiadomości ogólne - 10

              3.2 Budowa i właściwości SCR - 10

              3.3 Charakterystyki prądowo-napięciowe oraz parametry katalogowe SCR - 11

              3.4 Stany dynamiczne SCR - 12

              3.5 Specjalne rodzaje tyrystorów - 15

              3.6 Tyrystor GTO - 19

                            3.6.1 Budowa i własności - 19

                            3.6.2 Właściwości dynamiczne - 20

                            3.6.3 Parametry katalogowe - 22

                            3.6.4 Zastosowanie GTO – 23

4. Tranzystory – 24

              4.1 Tranzystor bipolarny BJT – 25

                            4.1.1 Wiadomości ogólne - 25

                            4.1.2 Charakterystyki prądowo-napięciowe - 26

                            4.1.3 Stany dynamiczne - 29

                            4.1.4 Wartości katalogowe – 32

              4.2 Tranzystor MOSFET - 34

                            4.2.1 Wiadomości ogólne - 34

                            4.2.2 Charakterystyki prądowo-napięciowe - 36

                            4.2.3 Stany dynamiczne - 37

                            4.2.4 Parametry elektryczne – 41

              4.3 Tranzystor IGBT - 46

                            4.3.1 Wiadomości ogólne - 46

              4.3.2 Charakterystyki prądowo-napięciowe - 47

                            4.3.3 Stany dynamiczne - 49

4.3.4 Parametry elektryczne tranzystora IGBT - 51

5. Moduły mocy - 54

Literatura - 57

            1

WSTĘP

1.1 Wiadomości podstawowe

              Przyrządy półprzewodnikowe mocy (skrótowo ppm), inaczej nazywane też zaworami półprzewodnikowymi są to wszystkie elementy półprzewodnikowe, pracujące jako przyrządy dwustanowe (stan włączenia i stan wyłączenia). Jest to podstawowa i najważniejsza cecha różniąca je od typowych elementów elektronicznych. Dzięki pracy dwustanowej uzyskuje się zdecydowanie mniejsze straty mocy na zaworze.  Zadaniem ppm jest przetwarzanie oraz sterowanie przepływem energii elektrycznej

Przyrządy półprzewodnikowe mocy wykonywane są z wykorzystaniem technologii bipolarnej, MOS oraz hybrydowej do pracy przy dużych napięciach oraz prądach obciążenia. Jak dotąd nie została precyzyjnie wyznaczona dolna granica napięć oraz prądów znamionowych poniżej której dane elementy nie będą traktowane jako półprzewodnikowe przyrządy mocy. Ogólnie można ją wyznaczyć na poziomie prądów znamionowych rzędu 1 ampera. Współcześnie produkowane ppm wykonywane są z monokryształów krzemu. W zależności od rodzaju elementu wykonane są z wykorzystaniem jednego lub większej liczby złączy półprzewodnikowych p-n (wykazują one własności zaworowe tzn. przy wyższym potencjale na warstwie p i mniejszym na warstwie n mają niewielką wartość oporu elektrycznego, natomiast przy polaryzacji odwrotnej opór ten wzrasta o kilkanaście rzędów wielkości). Obszar zastosowań przyrządów półprzewodnikowych mocy przedstawiono na rysunku 1. Rozciąga się on od mocy rzędu dziesiątek watów przy prądzie stałym (sprzęt AGD, RTV) do tysięcy VA i częstotliwości przekraczających milion herców. W tabeli 1 zamieszczono proste porównanie poszczególnych elementów mocy.

1.2 Podział elementów półprzewodnikowych mocy

Ze względu na budowę oraz zasadę działania przyrządu, ppm dzielimy na:

- elementy niesterowalne – przewodzą lub nie – tylko w zależności od kierunku napięcia  

  doprowadzonego do elektrod (anody i katody) elementu,

- elementy sterowalne – wprowadzane w stan przewodzenia przy użyciu sygnału   

  elektrycznego doprowadzonego do elektrody sterującej lub świetlnego oddziałujących     

  na strukturę wewnętrzną elementu.

Podchodząc do kwestii sterowalności ppm w sposób bardziej szczegółowy można przyjąć następującą klasyfikację elementów mocy w energoelektronice:

-          zawory niesterowalne – diody półprzewodnikowe mocy;

-          zawory o sterowanym włączaniu – tyrystory. Sygnały doprowadzane do elektrody sterującej – bramki mogą przełączać tyrystor ze stanu blokowania do stanu przewodzenia. Przyrząd zostaje włączony do momentu obniżenia się napięcia na zaworze do zera lub zmiany jego biegunowości na przeciwną (niemożliwe jest wówczas jego załączenie). Spośród tyrystorów należących do tej grupy można wyróżnić jeszcze fototyrystory włączane strumieniem świetlnym;

-          zawory w pełni sterowalne – tranzystory BJT, IGBT oraz inne przyrządy o strukturze MOSFET, tyrystory z bramką MOS (ang. Metal Oxide Semiconductor) – typu MCT, tranzystory oraz tyrystory sterowane polem – typu SIT i SITh. Elementy te mogą być załączane i wyłączane przez sygnały doprowadzone do elektrody sterującej, której rolę pełni bramka lub baza.

Aby właściwie dobrać przyrząd półprzewodnikowy do przekształtnika należy wziąć pod uwagę jego parametry:

- elektryczne – opisujące własności wynikające z charakterystyk statycznych prądowo-

  napięciowych i odnoszące się do stanów ustalonych;

- dynamiczne – opisujące własności elementu wynikające z czasowych przebiegów napięć,

  prądów oraz mocy i odnoszące się do stanów nieustalonych, związanych głównie ze  

  zjawiskami łączeniowymi – komutacją;

- cieplne – opisujące zdolności danego zaworu do odprowadzania ciepła wynikającego ze

  strat mocy powstających w płytce krzemu ze strukturą półprzewodnikową;

- mechaniczne i klimatyczne – wyrażające zdolność przyrządu jako funkcjonalnej całości

  do wytrzymywania określonych zjawisk mechanicznych i środowiskowych.

Tab.1 Porównanie podstawowych właściwości głównych półprzewodnikowych przyrządów mocy stosowanych

          w urządzeniach energoelektronicznych

Rys 1. Wykres zastosowań PPM w zależności od mocy i częstotliwości pracy (wg Mitsubishi)

        2

Fot. Nowoczesna dioda szybka (600A/3300V)

         produkcji firmy Mitsubishi

...