poluvodičke komponente fer
DESCRIPTION
Poluvodičke KomponenteTRANSCRIPT
![Page 1: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/1.jpg)
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU
Aktivne i pasivne komponente
ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE
Poluvodička sklopka
Poluvodički ventil
Povijesni razvoj
Pregled vrsta ventila
Modeli poluvodičkih ventila
Modeli pasivnih komponenata
Model transformatora
Ak. god. 2009/2010 Zagreb, 15.12.2009.
![Page 2: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Na kraju ovog predavanja trebali biste znati:
• Opisati strukturu poluvodičke sklopke.
• Opisati gubitke poluvodičke sklopke.
• Nabrojati osnovne poluvodičke učinske ventile.
• Nacrtati idealne i idealizirane UI karakteristike poluvodičkih učinskih ventila.
• Nacrtati nadomjesne sheme i napisati matematičke modele pasivnih komponenata i transformatora.
15.12.2009.
![Page 3: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/3.jpg)
Idealna elektronička sklopka
315.12.2009.
Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička tj. poluvodička sklopka. Jasno je da su inženjeri nastojali razviti poluvodičku sklopku u svemu jednaku idealnoj mehaničkoj sklopci.
Idealna mehanička sklopka:
‐ sklopka zatvorena: u(t) = 0
‐ sklopka otvorena: i(t) = 0
‐ gubici: p(t) = u(t)⋅i(t)
‐ trenutno uklapa i isklapa
![Page 4: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/4.jpg)
Poluvodička sklopka ‐ poluvodički ventil
415.12.2009.
Poluvodička sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od:
− jednog ili više poluvodičkih ventila
− zaštite od prenapona i prekostruja
− pobudnog (upravljačkog) stupnja
− rashladnog tijela
Zaštita od prekostruje – prigušnica induktiviteta L
Zaštita od prenapona – RC član
Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje (sklapanje). Samostalno nije operativna.
![Page 5: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/5.jpg)
Primjer poluvodičke sklopke i poluvodičkog ventila
515.12.2009.
tiristorska sklopka ‐ poluvodička sklopka
tiristor ‐ poluvodički ventil
![Page 6: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/6.jpg)
Poluvodički ventil
615.12.2009.
Poluvodički ventil je složena struktura unutar monokristala silicija. Primjerice, IGBT u jednom smjeru može držati napon i uklapati i isklapati struju, a u drugom smjeru eventualno može držati napon (samo neke izvedbe) i ne može voditi struju.
Jedan od simbola IGBT‐a Struktura IGBT‐a
![Page 7: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/7.jpg)
Gubitci poluvodičkih ventila
715.12.2009.
Svaki poluvodički ventil ima gubitke:
‐ gubitke uklapanja
‐ gubitke isklapanja
‐ gubitke vođenja
Tijekom uklapanja tranzistora, na tranzistoru istodobno postoji napon i teče znatna struja.
Umnožak napona i struje daje vremenski tijek gubitaka.
Sklopni gubici ograničavaju rad pretvarača na višim frekvencijama.
![Page 8: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/8.jpg)
Električke (elektroničke) sklopke ‐ nekada
815.12.2009.
Upravljivi živin ispravljač u nazivnom pogonu. Vidi se curenje kondezirane žive u kondenzacijskom balonu. Vide se i priključci upravljačkih rešetki.
Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi nazivne struje 500 A.Desno je regulacijski uređaj.
![Page 9: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/9.jpg)
Električke (elektroničke) sklopke ‐ nekada
915.12.2009.
Kontaktni slog u spoju sa srednjom točkom za pretvarače do 250 A.
Kontaktni slog za 10000 A, 400 V.
![Page 10: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/10.jpg)
Kada je započela era poluvodiča? Kako je Shockley dobio Nobelovu nagradu 1956. god.?
1015.12.2009.
![Page 11: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/11.jpg)
Razvoj učinskih poluvodičkih ventila
1115.12.2009.
Prva učinska poluvodička dioda 1954. god. (1200 W).
Ideja upravljivog učinskog ventila ‐ tiristorska PNPN struktura 1956. god.
Primjerice: Dioda izrađena u laboratorijima Instituta za fiziku Sveučilišta u Zagrebu 1967. god. (naponske opteretivosti 1800 V i strujne opteretivosti 200 A).
Lađica za legiranje i sendvič diode.
![Page 12: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/12.jpg)
Usporedba živinog ventila i tiristora
1215.12.2009.
Živin ventil Tiristor
Pad napona u stanju vođenja (V): 25 V 1,5 V
Radna temperatura kućišta (°C ): 15…60 ‐40…80
Vrijeme oporavljanja (μs): 300...400 30…400
Volumen sveden na jedinicusklopne snage (dm3/MW): 2500 0,1
![Page 13: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/13.jpg)
Podjela poluvodičkih ventila
1315.12.2009.
I tako se razvila velika porodica poluvodičkih ventila:
![Page 14: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/14.jpg)
Osnovne vrste današnjih poluvodičkih ventila
1415.12.2009.
Ne postoji poluvodički ventil koji ima sva svojstva idealne mehaničke sklopke.
![Page 15: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/15.jpg)
Problem odvođenja topline iz silicijske pločice
1513.2.2009
Primjerice, u diodi opterećene konstantnom strujom od 1000 A nastaju gubici od oko 1200 W (uzet je pad napona od 1,2 V; promjer silicijske pločice takve diode je oko 50 mm).
Ako je granična temperatura silicijske pločice 160 °C, a temperatura kućišta 80 °C, onda je za odvođenje topline na raspolaganju temperaturna razlika od svega 80 °C.
Temperaturni otpor između silicijske pločice i kućišta ne smije biti veći od 80/1200 = 0,07 K/W!
Silicijske pločice poluvodičkih ventila
![Page 16: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/16.jpg)
Kućišta i rashladna tijela poluvodičkih ventila
1615.12.2009.
Rashladna tijela za jednostrano i dvostrano hlađenje poluvodičkih ventila.
Diode i tiristori oblika hokejske pločice i zaliveni moduli.
![Page 17: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/17.jpg)
Izbor iz proizvodnog programa tvrtke SEMIKRON
1715.12.2009.
![Page 18: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/18.jpg)
Osnovne strukture poluvodičkih ventila
1815.12.2009.
Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta.
Treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) može naći šest različitih struktura.
![Page 19: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/19.jpg)
Radna područja poluvodičke sklopke
1915.12.2009.
![Page 20: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/20.jpg)
Dioda
2015.12.2009.
• neupravljiva, jednokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K)
• preuzima negativni (zaporni) napon u stanju nevođenja
Idealna karakteristika Idealizirana karakteristika
Uth – napon praga (1 – 1,5 V)Rd – dinamički otpor (mΩ)
![Page 21: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/21.jpg)
Tiristor
2115.12.2009.
• poluupravljiva, uklopiva, dvokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K)
• preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja
• uklapa pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi G (geitu) pod uvjetom da se nalazi u stanju blokiranja
• isklapa prolazom struje kroz nulu
Idealna karakteristika Idealizirana karakteristika
![Page 22: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/22.jpg)
Tiristor – vrijeme oporavljanja
2215.12.2009.
Već na razini osnovne analize sklopova, treba u model tiristora uvesti vrijeme oporavljanja.
Vrijeme oporavljanja je (fizikalna) karakteristika komponente. Vrijeme odmaranja je karakteristika sklopa. Vrijeme odmaranja treba biti jednako ili veće od vremena oporavljanja. U protivnom tiristor može nekontrolirano provesti.
![Page 23: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/23.jpg)
Geitom isklopivi tiristor – GTO (engl. gate turn off thyristor)
2315.12.2009.
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K)
• preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja
• uklapa dovođenjem pozitivnog impulsa na upravljačku elektrodu (geit) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja
• isklapa dovođenjem negativnog impulsa na upravljačku elektrodu (geit)
Idealna karakteristika Idealizirana karakteristika
![Page 24: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/24.jpg)
Bipolarni tranzistor – BJT (engl. bipolar junction transistor)
2415.12.2009.
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom smjeru
• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja
• uklapa pomoću pozitivnog strujnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (bazi), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
Idealna karakteristika Idealizirana karakteristika
![Page 25: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/25.jpg)
Bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom – IGBT (engl. insulated gate bipolar transistor)
2515.12.2009.
• upravljiva, uklopiva i isklopiva jednokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom smjeru
• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, samo neki tipovi IGBT‐a mogu preuzeti negativni (zaporni) napon
• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
Idealna karakteristika Idealizirana karakteristika
![Page 26: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/26.jpg)
MOS tranzistor s učinkom polja – MOSFET (engl. metal oxide semiconductor field effect transistor)
2615.12.2009.
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka
• vodi struju u dva smjeru (u jednom FET, a u drugom ugrađena dioda)
• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja
• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
Idealna karakteristika Idealizirana karakteristika
![Page 27: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/27.jpg)
Hibridna sklopka‐ strujno dvosmjerna
2715.12.2009.
Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT‐u) može se dodati povratna dioda.
Ukoliko dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET‐a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće:
![Page 28: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/28.jpg)
Primjer upotrebe strujno dvosmjerne sklopke
2815.12.2009.
Primjer upotrebe dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke kod trofaznog izmjenjivača s naponskim ulazom.
![Page 29: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/29.jpg)
Hibridna sklopka‐ naponski bipolarna
2915.12.2009.
Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT‐u ili MOSFET‐u) može se u seriju dodati dioda koja preuzima zaporni napon kojeg tranzistor ne bi mogao preuzeti.
![Page 30: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/30.jpg)
Primjer upotrebe naponski bipolarne sklopke
3015.12.2009.
Primjer upotrebe dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke kod trofaznog izmjenjivača sa strujnim ulazom.
![Page 31: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/31.jpg)
Modeli pasivnih komponenata
15.12.2009.
( ) ( )R
tuti RR =
Otpornik Prigušnica
‐ uvjet periodičnog načina rada
( ) ( )
( ) 0=
=
∫+
ττ di
dttduCti
Tt
tC
CC
Kondenzator
‐ uvjet periodičnog načina rada
( ) ( )
( ) 0=
=
∫+
ττ du
dttdiLtu
Tt
tL
LL
![Page 32: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/32.jpg)
Modeli otpornika na višim frekvencijama
Nadomjesna shema metal‐film otpornika
Nadomjesna shema žičanog otpornika
15.12.2009.
![Page 33: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/33.jpg)
Model kondenzatora na višim frekvencijama
Nadomjesna shema kondenzatora
Nadomjesni serijski otpor kondenzatora (ESR)
ESR (equivalent series resistance)
15.12.2009.
22
1CR
RESRleak
w ω+=
![Page 34: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/34.jpg)
Model dvonamotnog transformatora (magnetski povezani induktiviteti)
15.12.2009.
L1 ‐ induktivitet primaraL2 ‐ induktivitet sekundaraM ‐ međuinduktivitet
dtdiL
dtdiMu
dtdiM
dtdiLu
22
12
2111
+=
+=
121
≤⋅
=LL
Mk
ako je k=1, transformator je savršen
![Page 35: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/35.jpg)
Model dvonamotnog transformatora (magnetski povezani induktiviteti)
15.12.2009.
21
2
12
11
111
1212
221
111
22
1212
221
111
1
uNuLLu
dtdiL
dtdiLu
dtdiLLu
LLL
dtdiLu
dtdiL
dtdiLLu
dtdiLL
dtdiLu
⋅=
+−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=
+=
+=
2
1
LLN =gdje je :
![Page 36: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/36.jpg)
Model dvonamotnog transformatora (magnetski povezani induktiviteti)
15.12.2009.
( ) ( ) ττττ duL
iN
iduLL
LLi
Ni
dtdiNu
LLdtdi
dtdi
LLu
LL
Ldtdi
dtdiL
dtdiLL
Nu
tt
∫∫∞−∞−
=+⇒=+
−=
−=
+⋅=
11
2111
2
2121
11
21
2
1
2
11
1
2
2
2
22
121
1
1111
1
1
0121
21
=+
⋅=
iN
i
uNu
Ako L1 →∞ i L2 →∞, a L1/L2 je konačan, savršeni transformator prelazi u idealni.
![Page 37: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/37.jpg)
Modeli transformatora (I)
15.12.2009.
![Page 38: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/38.jpg)
Modeli transformatora (II)
Dio napona se izgubi pri transformaciji
15.12.2009.
dtdiL
NLu
N
dtdiL
dtdiLu
dtdiL
Nu
dtdiLuu
iN
i
uNu
ll
llN
ll
222
1'1
22
11
'1
1
22
1222
'2
21
21
1
1
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +−=
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
=−=−=
⋅=
⋅= ili približno:
![Page 39: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/39.jpg)
Primjerci transformatora
Većih snaga… …i manjih snaga.
15.12.2009.
![Page 40: Poluvodičke Komponente FER](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022050819/55cf9494550346f57ba2f450/html5/thumbnails/40.jpg)
Zapamtite
4013.2.2009
• Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička tj. poluvodička sklopka. Sastoji se od: jednog ili više poluvodičkih ventila, zaštite od prenapona i prekostruja, pobudnog (upravljačkog) stupnja i rashladnog tijela.
• Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje.
• Svaki poluvodički ventil ima gubitke: gubitke uklapanja, gubitke isklapanja i gubitke vođenja.
• Poluvodički ventili se dijele na neupravljive i upravljive.
• Osnovne prednosti poluvodičkih ventila su mali gubici i male dimenzije.