Teljesítményelektronika

Átírás

1 Teljesítményelektronika

2 Szakirodalom Csáky-Ganszky-Ipsits-Marti: Teljesítményelektronika, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, K. Heumann: A teljesítményelektronika alapjai, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, Rashid, M.H.:Power Electronics, Pretince-Hall International Inc., Bencze János: Új utakon a villamos hajtások, Magyar Elektronika, 1. Szám, 1994.

3 Teljesítményelektronika tárgyköre A villamos energia lehetőleg kisveszteségű átalakítása elektronikus eszközökkel ~ = ~ =

4 Áramirányítók osztályozása Egyenirányító (rectifier): AC (alternative current) DC (direct current) Váltóirányító (inverter): DC (direct current) AC (alternative current) Frekvenciaváltó (frequency converter): fázis : m1 m2 frekvencia: f1 f2 Szaggató (chopper): U1 U2 lehet DC/DC vagy AC/AC

5 Félvezető eszközök fejlődése dióda triak RCT SCR LTT SIT GTO MCT SITh BJT IGBT MOSFET PIC

6 Teljesítmény félvezető eszközök PSD=Power Semiconductor Device Thyristor = tirisztor SCR = Silicon Controlled Rectifier Triac = Triode Alternating Current GTO = Gate Turn Off RCT = Reverse Conducting Thyristor SITh = Static Induction Thyristor MCT = MOS Controlled Thyristor LTT = Light Triggered Thyristor LASCR = Light Activated Silicon Controlled Rectifier

7 Teljesítmény félvezető eszközök PSD=Power Semiconductor Device Transistor (Trans-fer Re-sistor) = tranzisztor BJT = Bipolar Junction Transistor FET = Field Effect Transistor MOSFET = Metal Oxid Semiconductor FET IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor SIT = Static Induction Transistor PIC = Power Integrated Circuit - Power Modules, Intelligent Modules, Smart Power

8 Teljesítmény félvezető eszközök üzemmódja Kis teljesítmény esetén: I C I Cmax lineáris üzemmód a normál aktív tartományban U t I M M U be R Z f U CE P = U M I M 0 U M U t állandó veszteség => hő => hűtés

9 Teljesítmény félvezető eszközök üzemmódja Nagy teljesítmény esetén: I C kapcsolásos üzemmód be I Cmax Ki: I=0 Be: U=0 ki P = UI = 0? 0 U t U CE

10 Teljesítmény félvezető eszközök üzemmódja u belső kapacitás 0 i ki be ki be t P induktív fogyasztó lineáris kapcsolásos 0 p=ui t 0 f 0 t

11 Teljesítmény félvezető eszközök hűtése hőtani modell P P P R th jb R th bc R th ca θ j θ b θ c θ a θ j = p-n átmenet hőmérséklete (j=junction) θ b = alap hőmérséklete (b=base) θ c = tok hőmérséklete (c=case) θ a = környezet hőmérséklete (a=ambient) R th = hőellenállás (th=thermic) P = hőteljesítmény

12 Teljesítmény félvezető eszközök hűtése hőtani modell összevonása P P R th G R th K θ j θ c θ a θ j = p-n átmenet hőmérséklete (j=junction) θ c = tok hőmérséklete (c=case) θ a = környezet hőmérséklete (a=ambient) R th G = saját belső hőellenállás R th K = hűtőtönk hőellenállása P = hőteljesítmény

13 Teljesítmény félvezető eszközök hűtése hőtani számolás P P R th G R th K θ j θ c θ a R θ j thk θ = a θ j ( R R ) = P + vagy θ P a thg R thg thk K W

14 Teljesítmény félvezető eszközök hűtése hűtőtönk választása R th K fekete eloxált felületre vonatkozik sima felület: +10% vízszintes elhelyezés: +20% R th Kf = a R th K R th K természetes hűtés R th Kf mesterséges hűtés (ventillátor) a 1 0,6 0, v levegő [m/s]

15 1. Teljesítmény dióda A K önkényes határ: U R 250 V, I F 1 A R = reverse, F = forward

16 1.1. Bekapcsolási idő forward recovery vagy turn-on time -ameddig az összes töltéshordozó el kezd vezetni I (kisebbségi) Bekapcsolási időállandó: I T FR =r d C D (1 100) µs r d = vezető irányú dinamikus ellenállás C D = diffúziós kapacitás 100 µf 0 U U r d = U/ I r d =du/di

17 1.2. Kikapcsolási idő reverse recovery time = t rr - visszatérési vagy szabaddáválási vagy tárolási idő ameddig az összes (kisebbségi) töltéshordozó visszatér és a pn átmenet visszanyeri záróképességét t rr = t a +t b t a = pn átmenetben tárolt kisebbségi töltéshordozók t b = a félvezető tömegében tárolt kisebbségi töltéshordozók

18 1.2. Felszabadulási idő jellemzői t rr = f(i F, di/dt, ϑ C, ) i lágysági tényező: SF= t b /t a t rr i t rr t a t b t a t b 0 t 0,25I RR I RR 0 t lágy kikapcsolás meredek kikapcsolás I RR = felszabadulási áram

19 1.3. Bekapcsolási és felszabadulási idő hatása i 1 i 1 K D 1 + U D 2 R i i 2 0 t - i 2 L 0 i t rövidzár 0 t 1 t 2 t

20 1.3. Bekapcsolási és felszabadulási idő hatásának kiküszöbölése i 1 K D 1 L s i 1 + U - D 2 R s i 2 C s L s csökkenti di/dt-t R i L i i C s átveszi az L s -ben tárolt energiát R s csillapítja a létrejövő rezgéseket 0 t 1 t 2 t t t

21 1.4. Párhuzamosan kapcsolt diódák I D 1 D 2 U I 1 R szórás => különböző karakterisztikák I 2 U 0 1 = U 2 ugyan ahhoz a feszültséghez más áramok tartoznak P 1 =U 1 I 1 > P 2 =U 2 I 2 => D 1 túl van terhelve => leég U D 2 veszi át a teljes áramot => az is leég

22 1.4. Megoldás a védelemhez D 1 D 2 I 1 I 2 D 1 D i 2 1 i 2 R R R R u 1 u 2 i 1 állandósult tranziens állapotra állapotra => di 1 /dt => u 1 => U-u 1 => i 1 => u => U+u 2 => i 2 2 => i 1 (= i-i 2 )

23 1.5. Soroba kapcsolt diódák D 1 U r1 U r2 I 0 U D 2 ~U R I I r Ugyanaz a szivárgási áram Különböző záróirányú karakterisztikák => más zárófeszültségek => átüt vagy leég

24 1.5. Megoldás a védelemhez 10xI r R D 1 I r R C D 1 i r R D 2 R C D 2 Állandósult állapotra Tranziens állapotra

25 1.6. Dióda típusok 1. Általános rendeltetésű diódák N (normal) 2. Gyors diódák F (fast) speciális eljárások t rr =(50 100) µs ~ {50, 60} Hz-es hálózat t rr =(10 20) µs különleges anyagok: Pt, Au középfrekvencia, digitális rendszerek 3. Schottky-diódák fém - Si (n típusú) t rr =100 ps kisebbségi töltéshordozók kiküszöbölve még gyorsabb működés érhető el detektorok

26 2. Tirisztor A G K Bekapcsolása: hőmérséklet => nem kívánatos fény => fényvezérelt: LTT nagy feszültség => tönkremehet meredek feszültségnövekedés vezérlő elektródára kapcsolt áram => általános

27 2.1. Tirisztor bekapcsolási tranziense i G 10% 0 i T 90% I G I T t t d = delay time késési idő t r = rise time felfutási idő 10% 0 t d t r t t on = turn on time bekapcsolási idő t on

28 2.2. Tirisztor vezérlő árama Gyújtó impulzusnak meglegyen a nagysága és időtartama a tartóáram kialakulásához Tirisztor bekapcsolása után a vezérlőáramot megszüntetni (fölösleges veszteség) Kikapcsolt tirisztoron ne legyen vezérlő jel (a szivárgási áram tönkreteszi)

29 2.3. Tirisztor kikapcsolódása 3 pn átmenet: 2 diódának megfelelő 1 ellentétes Diódának megfelelően => t rr Rekombinációs idő => t rc t q = t rr +t rc kikapcsolási idő t q = f(i T,u T )

30 2.4. Tirisztor hálózati kommutációja A K ~U R u 0 i 0 u AK t rr t rc t t szivárgási áram 0 t q t

31 2.5. Tirisztor kényszer kommutációja A T 1 K u U T 2 = U R t R + C - 0 T 2 be T 1 be t i T1 szivárgási áram 0 t oltókörös tirisztor: u AK t rr t rc 0 t q t

32 L s Ti 2.6. Tirisztor védelem R s2 u C R D o R t D s R s1 Ti C s di/dt védelem du/dt védelem => soros L s => párhuzamos C s s = snubber

33 2.7. Tirisztor típusok 1. Általános tirisztor: N (normal) t q = ( ) µs {50, 60} Hz hálózat 2. Gyors tirisztor: F (flink) t q = (20 60) µs kényszerkommutációs, középfrekvenciás áramkör, inverter 3. GTO = Gate Turn-Off => kikapcsolható tirisztor + impulzus bekapcsol - impulzus kikapcsol

34 GTO / Tirisztor Előnye a tirisztorral szemben: nem kell kényszerkommutáció => nincs szükség további alkatrészekre kisebb elektromágneses (EM) zavarok gyorsabb kikapcsolás t q = (5 10) µs => nő a hatásfok Hátránya tirisztorral szemben: nagyobb feszültségesés vezetéskor

35 GTO / Tranzisztor Előnye a tranzisztorral szemben: nagyobb zárófeszültség nagyobb csúcsáram rövid vezérlő impulzus nagy bekapcsolási erősítés anódáram vezérlőáram = 600 Hátránya tranzisztorral szemben: kis kikapcsolási erősítés hajlamos a telítődésre anódáram vezérlőáram = 6

36 Triak - TRIAC - szimisztor nincs kijelölt A és K két ellenpárhuzamos tirisztor + és impulzussal is bekapcsolható, polaritás függvényében

37 RCT RCT Reverse Conducting Thyristor tirisztorral ellenpárhuzamosan kapcsolt dióda ASCR Asymmetrical Silicon Controlled Rectifier

38 SITH Static Induction Thyristor MOSFET-hez hasonló kisebbségi töltéshordozóra alapuló eszköz A K G + impulzus bekapcsol - impulzus kikapcsol nagyon érzékeny a gyártási technológiára

39 LTT - LASCR Light Triggered Thyristor Light Activated Silicon Controlled Rectifier A K villamos vagy galvanikus leválasztás nagy feszültség, nagy áram alkalmazása esetén G

40 MCT MOSFET Controlled Thyristor T A K G A K M R feszültség vezérelt csak adott áram érték alatt vezérelhető G ennél nagyobb áram kikapcsolása esetén tönkremegy => hagyományos tirisztor kikapcsolást kell alkalmazni kis áram esetén rövidebb vezérlőimpulzus is elégséges nagy áram esetén hosszabb vezérlőimpulzus szükséges inverteres vagy szaggatós alkalmazásnál a teljes be-/kikapcsolási időtartamra folyamatos vezérlőjel kívánatos a bizonytalan állapotok kiküszöbölése érdekében

41 2.8. Tirisztorok gyújtása galvanikus vagy villamos leválasztásra van szükség optocsatoló gyújtótranszformátor Az optocsatoló LTT-vel váltható ki. optocsatoló: LED + phototranzisztor gyújtótranszformátor: speciális porvasmagos kivitel

42 Optocsatolós tirisztorgyújtás = ~ Tr R t R 1 + u v OC R 3 Ti ~U R 2

43 Transzformátoros tirisztorgyújtás + Tr Ti u C u D D 2 D 3 0 t 0 t R 2 u G u v 0 t u v C R 1 D 1 T 0 t

44 Transzformátoros tirisztorgyújtás erősen induktív fogyasztó esetén => az áram lassan nő => hosszú gyújtóimpulzusra van szükség a tartóáram eléréséhez => nőnek a tirisztor veszteségei A gyújtótranszformátor csak váltakozó jelet tud átvinni. Megoldás: impulzuscsomag

45 Impulzuscsomag előállítása u v u C 0 Tirisztor vezérlő f 0 t 0 t & u C AMV f >> f 0 0 t pl. f 0 =50 Hz, f=1 khz

46 Vezérlőkör védelme csak a + impulzust engedi át D 1 R 1 áramkorlát csillapítás Ti Tr D g R g C g kiküszöböli a - vezérlést növeli du/dt bírást csökkenti a t q -t növeli du/dt bírást kiszűri a zavarjeleket késleltetést hoz be

47 áramköri jelölés: 3. UJT Unijunction Transistor kétbázisú (egyréteg) tranzisztor tirisztor gyújtójelének képzésére alkalmazzák modell: kivitelezés: E B 2 B 1 E p B 2 n B 1 n + B 1 E B 2 n p

48 3.1. UJT jellemzői R BB = interbázis ellenállás η = intrinsic stand-off ratio, leosztási arány vagy belső feszültségarány B 2 U E = ηu B2B1 + U D E p n U B2B1 η = 0,47 0,82 U D = (0,6 0,7) V B 1

49 3.2. UJT bemeneti karakterisztika B 2 I E R be E U B2B1 U be I EUE U E = U D + η U B2B1 0 U E B 1 I v I p telítődés negatív ellenállás R EB1 = R pn + R B1, R B1 = ηr B1B2 U v telítési feszültség U p billenő feszültség

50 3.3. UJT kimeneti karakterisztika I B2 B 2 I E R be E I B2 U B2B1 U be I E B 1 I E =0 0 U BB

51 3.4. UJT előnyei stabil Up billenő feszültség nagyon kis áram szükséges a billenéshez negatív ellenállású jelleggörbe jelleggörbe kevésbé függ a hőmérséklettől és időtől alacsony előállítási költség nagy áramimpulzus terhelhetőség viszonylag nagy működési sebesség átkapcsolási idő néhány ns

52 3.5. UJT alkalmazása tirisztor gyújtása oszcillátorok, multivibrátorok időzítők hullámforma generátor

53 UJT-s oszcillátor U t U B1 R E R 2 B 2 0 t U E U p C U E B 1 R 1 U v 0 T 2T t T 1 =RC T 2 =R 1 C T=RCln(1-η) -1

54 UJT-s oszcillátor I R E B 2 R 2 U t I E I= U t -U E R I= U t -U p R I= U t -U v R I p I v C U E B 1 R 1 I v I p U t -U v I v R U t -U p I p 0 U E U v U p

55 UJT-s oszcillátor U t R R 2 UJT zár: U B1 =U t R 1 (R 1 +R 2 +R BB ) E B 2 UJT nyit: U B1 U p R 1 (R 1 +R EB1 SAT ) C U E B 1 R 1 Billenési feszültség: U p =U D +U t ηr BB +R 1 (R 1 +R 2 +R BB ) C U v, I v változik C EB 1 átmenet tönkremegy

56 Hálózati szinkronizációjú oszcillátor D 1 D 2 R 1 R 2 Z terhelés U C R 3 D z P Ti D 3 D 4 R 4

57 Hálózati szinkronizációjú oszcillátor 1 2 u 1 U α min Az első impulzus már begyújt, a többi veszteséget okoz. t

58 Hálózati szinkronizációjú oszcillátor Az R 1 et és a D z -át úgy kell megválasztani, hogy a maximális áram fellépésekor is maradjon meg a Zéner-feszültség. U U 2-U z R 1 I zmax R 1 teljesítménye nagy lesz. Külön kell számolni! Az UJT-ét, R 3 -at és R 4 -et úgy kell megválasztani, hogy a gyújtáshoz szükséges feszültség és áram biztosítva legyen.

59 4. Teljesítmény tranzisztorok 1. Power BJT - Bipolar Junction Transistor teljesítmény bipoláris tranzisztor 2. Power MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor teljesítmény térvezérlésű tranzisztor 3. SIT : Static Induction Transistor 4. IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor szigetelt bázisú bipoláris tranzisztor

60 4.a. Teljesítmény tranzisztorok jellemzői Általában kapcsolóüzemben dolgoznak. A működés megértéséhez ideális kapcsolónak tekinthetők. Be- és kikapcsolásuk egyszerűbb a tirisztorokénál. A feszültségesés a telítési tartományban kisebb, mint a hagyományos tranzisztoroknál.

61 Power BJT kapcsolási határadatok U CEmax, I cmax, P dmax Másodfajú letörések: helyi forrópontok kialakulása nagy áramkoncentráció következtében. -lehet anyaghiba, de adott U, I, t kombináció is, Tehát energiára lehet visszavezetni. Biztonságos nyitóüzemű tartomány. Impulzus ms µs Biztonságos záróüzemű tartomány. SOA : Safe Operating Area I C DC 0 U CE

62 Power BJT munkapontok R T R T C R T L I C I C I C 0 U CE 0 U CE 0 U CE

63 Power BJT bázisvezérlések a) szimmetrikus b) aszimmetrikus c) arányos (önzáró) d) telítés nélküli

64 4.1.3.a. Power BJT u v szimmetrikus bázisvezérlés +U 1 0 -U 2 t C R C R 1 R 2 i B u v U CC i B 0 t

65 4.1.3.b. Power BJT aszimmetrikus bázisvezérlés C 2 R 4 D R C R 1 R 2 R 3 T u v C 1 U CC

66 4.1.3.c. Power BJT arányos (önzáró) bázisvezérlés beindulás után K kikapcsolható önzáró külön áramkörrel kell kikapcsolni és C 1 -et kisütni N 2 N 1 I C = =β arányos I B K C 1 R 1 N 2 i B i C T R C u v 0 t N 3 N 1 U CC

67 U CE SAT = (0,2 0,3) V d. Power BJT telítés nélküli bázisvezérlés U CE = U BE +U D1 -U D2 =U BE = (0,6 0,7) V gyorsabb kikapcsolás P sw csökken D 1 száma nő U CE nő P on nő gondoskodni kell a többlet hő elvezetéséről u v R 1 U D2 U D1 D 2 D 1 U BE T U CE > U CE SAT U CE R C U CC

68 Power MOSFET - jellemzői - feszültségvezérelt - kisebb teljesítmény, de nagyobb frekvencia - nincs másodfajú letörés - gond az elektrosztatikus kisülés

69 Power MOSFET - vezérlés C 1 R s R 1 M R D u s R G U DD jelgenerátor A bekapcsolási idő - a bemeneti kapacitástól függ. - RC taggal csökkenthető.

70 Power MOSFET Totem Pole vezérlés Emmitterkövető kapcsolás kis kimeneti impedanciák T 1,2 csökken a bekapcsolási idő u v C 1 D 1 OA npn pnp U CC T 1 T 2 I D M D Visszacsatolás C 1 -en keresztül: beállítja az I D növekedését és csökkensét D 1 gyors változást biztosít egyik irányban

71 SIT jellemzői, elve, jelölése G - nagy teljesítmény, nagy frekvencia - a vákuum trióda félvezető változata S (source) S G (gate) D n + n n - n + p + D (drain)

72 SIT előnyei, vezérlése, alkalmazása - rövid csatorna kis ellenállás kis feszültségesés - kis zaj, kis torzítás - kis hőellenállás - kis G-S kapacitás - kis kapcsolási idő Normál állapotban nyitott, negatív vezérlő feszültség szükséges a lezárásához. Nagy teljesítményű és nagyfrekvenciás berendezések: audio-, VHF/UHF, mikrohullámú erősítő

73 IGBT jellemzői szigetelt bázisú bipoláris tranzisztor Kis vezetési veszteség Kombinálja a BJT és a MOSFET előnyeit. Nagy bemeneti impedancia Nincs másodfajú letörés

74 IGBT jelölés, felépítés, modell C (Collector) eddig MOSFET, de C C p + R MOD G n + n - G M E G (gate) p + p p n + p - n + R BE E (Emitter) E

75 IGBT alkalmazása -közepes teljesítmény szint MOSFET < kapcsolási idő < BJT AC motorhajtás tápegységek szilárdtest relék

76 4.5. Tranzisztorok üzeme Párhuzamos és soros üzem: lásd diódák. Védelem: du/dt di/dt korlátozás.

77 U t L s 4.6. Tranzisztorok védelme áramkorlát: di/dt = U t /L s D o L T 3R s C s = (f s ) (-1) f s = a kapcsolgatási frekvencia kondenzátor árama: R T i Cs τ s = R s C s R v T C s u v R s D s 0 T s = (f s ) (-1) t R s = 2 L s /C s - csillapítás

78 Egy egységben: Monolitikus modul egy Si lapkára (chipre) 5.1. Teljesítménymodulok teljesítmény félvezető eszközök meghajtó áramkörök leválasztó áramkörök vezérlők védelem Hibrid modul külön a teljesítmény félvezetők és vannak integrálva külön a vezérlő elektronika áramkörei de egy tokban. Előny: közvetlen digitális vezérlés. Gond: hőelvezetés, különösen a monolitikus modulnál.

79 5.2. Teljesítménymodul példa Érzékelő Áramvédelem Feszültség védelem Hőmérséklet védelem Vezérlő Buffer Érzékelő Meghajtó Leválasztó Meghajtó

80 5.3. Teljesítménymodul alkalmazás 3f Tápegység = Teljesítménymodul 3f Asz. motor m Mikrokontroller Fordulatszám érzékelő Vezérlő felület Kijelző

81 6.1. Teljesítmény félvezetőeszközök főbb adatai Eszköz U max [V] I max [A] f max [Hz] t kapcs [µs] R vez [mω] Dióda Gyors dióda Schottky dióda Tirisztor Gyors tirisztor 5 k 3 k 40 8 k 1,2 k 5 k 1 k 60 5 k 1,5 k 1 k 10 k 20 k 1 k 10 k , , ,25 0,47 GTO 4,5 k 4,5 k 10 k 15 2,5 Triak 1,2 k ,57 RCT 2,5 k 1 k 5 k 40 2,1 SITh 4 k 2,2 k 20 k 6, LTT MCT BJT MOSFET SIT IGBT 6 k 2,5 k 1 k 200 0,53 1,2 k k 2,2 18 1,2 k k ,0 k k 0,6 0,4 1,2 k k 0, ,8 k k 2,3 60

82 6.2. Teljesítmény félvezetőeszközök minőségi jellemzői Eszköz Vezérlés Túláram Vezérlési Kapcsolási Tirisztor áram bírás nagy veszteség alacsony veszteség nagy GTO áram közepes nagy nagy SITh áram közepes közepes alacsony LTT fény nagy alacsony nagy MCT feszültség nagy alacsony alacsony BJT áram alacsony alacsony közepes MOSFET feszültség alacsony nagy alacsony SIT feszültség alacsony alacsony alacsony IGBT feszültség alacsony közepes alacsony

83 6.2. Teljesítmény félvezetőeszközök alkalmazása Villamosenergia Villamos S [VA] elosztás vontatás 10 M Villamos nagy 1 M hajtások teljesítmény 100 k Ti GTO IGBT közepes 10 k Háztartási BJT teljesítmény 1 k gépek Audio, TV, MCT video kis 100 Triak MOSFET teljesítmény k 10 k 100 k 1 M f [Hz]

84 6.3. Félvezető alapanyagok Si: 1 ev, θ max = 200 C GaAs: 1,4 ev, θ max = 400 C SiC: 3 ev, θ max = 650 C Gyémánt: 5 ev, θ max = 800 C tiltott elektronsáv szélessége