POLUVODIČKE SKLOPKE I VENTILI

• OSNOVNI POJMOVI

• POVIJESNI RAZVOJ

• PREGLED VRSTA

Poluvodička sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od:

− jednog ili više poluvodičkih ventila,

− zaštite od prenapona i prekostruja,

− pobudnog (upravljačkog) stupnja,

− rashladnog tijela.

Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje. Samostalno je inoperativna.

Elektronička sklopka

Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička sklopka. Jasno je da su inženjeri nastojali razviti elektroničku sklopku u svemu jednaku idealnoj mehaničkoj električkoj sklopki (sklapa kod oba polariteta napona, vodi struju u oba smjera i nema gubitaka).

sklopka otvorena: i(t) = 0

sklopka zatvorena: v(t) = 0

u oba slučaja:

p(t) = i(t) v(t) = 0

Elektronička sklopka funkcionalno jednaka mehaničkoj sklopki je veoma složena (sastoji se od više elektroničkih ventila). Ipak, operativna cjelina koja ima samo neke funkcije mehaničke sklopke naziva se elektronička sklopka.

Dakle, u stvarnom svijetu treba razlikovati:

– mehaničku sklopku,

– elektroničku sklopku (ima samo neke funkcije mehaničke sklopke).

U idealnom svijetu treba razlikovati:

– idealnu mehaničku sklopku,

– idealnu elektroničku sklopku (ima samo neke funkcije mehaničke sklopke).

Stvarne elektroničke sklopke se više ili manje približuju idealnim, jer stvarni poluvodički ventili imaju male gubitke.

Poluvodički ventil

To 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.

IGBT

Svaki poluvodički ventil ima gubitke: gubitke uklapanja, gubitke isklapanja i gubitke vođenja. Primjerice, tijekom isklapanja diode, na diodi istodobno postoji napon i teče znatna struja (umnožak napona i struje daje vremenski tijek gubitaka):

zaostali naboj

Naponsko-strujno naprezanje diode tijekom isklapanjavrijeme oporavljanja

Ili, tijekom uklapanja tranzistora poteče struja prije nego je započelo opadanje napona:

Naponsko-strujno naprezanje tranzistora tijekom uklapanja

Nekad nije bilo tako…Električki ventili su se razlikovali od današnjih…

Upravljivi živin ispravljač u čeličnoj posudi (2000 A, 3000 V)

Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi

…nalikovali su na vanzemaljce.

Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi nazivne struje 500 A. Desno je regulacijski uređaj (BBC).

Upravljivi živin ispravljač u nazivnom pogonu. Vidi se curenje kondenzirane žive u kondenzacijskom balonu. Vide se i priključci upravljačkih rešetki.

Kontaktni slog sa 6 kontakata u spoju sa srednjom točkom za pretvarače 5000 A, 300 V (SSW, 1939.)

Koristili su se i mehanički kontaktni slogovi

Mehanički pretvarač: 200 A, 230 V (SSW, 1941.)

Mehanički pretvarač za 4000 A i 50 V: a) uklopne prigušnice, b) kontaktni slog, c) razvodni ormar (SSW, 1943.)

Za ostvarenje mehaničkih pretvarača

Kada je započela era poluvodiča?

Kako je Shockley dobio Nobelovu nagradu?

1949. god.

Kako su poluvodički ventili izgledali nekad?

1954. god.

Dioda izrađena u laboratorijima Instituta za fiziku Sveučilišta u Zagrebu

Osnovni podaci diode:

- strujna opteretivost: 200 A

- naponska opteretivost: 1800 V

Lađica za legiranje i sendvič diode. 1967. god.

Ideja poluvodičkog upravljivog poluvodičkog ventila –

- PNPN struktura

Članak je uredništvo primilo u svibnju

1956. god.

Usporedba živinog ventila i tiristora

Živin ventil Tiristor

Pad napona u stanju vođenja: 25 V 1,5 V

Radna temperatura kućišta 15…60 °C -40…80 °C

Vrijeme oporavljanja: 300…400 us 30…400 us

Volumen sveden na jedinicusklopne snage: 2500 dm3/MW 0,1 dm3/MW

I tako se razvila velika porodica poluvodičkih ventila:

Osnovne vrste današnjih poluvodičkih ventila

Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta. Ne treba ih za sada posebno učiti. Samo treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) može naći šest različitih struktura.

MOS struktura

struktura metal - poluvodič

PN struktura

diodna struktura

tranzistorska struktura

tiristorska struktura

OSNOVNE STRUKTURE POLUVODIČKIH KOMPONENATA

Raspon snaga današnjih poluvodičkih ventila je velik …

Visokofrekvencijske diode

GTO tiristori 4500 V, 3000 A za elektromo-torne pogone u vuči

Mrežne i frekvencijske diode i tiristori

Tiristori 8000 V, 1200 A odn. 5500 V, 2600 A za istosmjerene velepri-jenose i statičke kom-penzatore jalove snage

Izbor ventila iz proizvodnog programa tvrtke SEMIKRON

Gdje se upotrebljavaju poluvodički ventili?

Istosmjerni veleprijenosi

Kompenzatori

Elektrolize

Vuča

Neprekinuto napajanje

Indukcijsko zagrijavanje

Elektromotorni pogoni

Visokofrekvencijsko zavarivanje

Napajanje

Radna područja poluvodičkih sklopki

Primjer jednokvadrantnog

rada sklopke:ON - Stanje vođenja

OFF - Stanje nevođenja

napon u stanju nevođenja

struja u stanju vođenja

Napon ide lijevo, negativan je

Radna područja poluvodičkih sklopki

vOFF

vOFF

iON

iON

iON

vOFF

Jednokvadrantna

sklopka

(strujno jednosmjerna, naponski unipolarna)

Dvokvadrantna

sklopka

(strujno dvosmjerna, naponski unipolarna)

vOF

F

iONDvokvadrantna

sklopka

(strujno jednosmjerna, naponski bipolarna)

Četverokvad-rantna sklopka

(strujno dvosmjerna, naponski bipolarna)

KOMPONENTE (AKTIVNE, PASIVNE)

REALNI I IDEALNI SVIJET

SVIJET MODELA I SVIJET UREĐAJA

Nazivlje

I u nazivlju treba razlikovati realni od idealnog svijeta.

Realni svijet Idealni svijet

komponenta element

otpornik otpor

kondenzator kapacitet

prigušnica induktivitet

transformator idealni transformator

savršeni transformator

dioda idealna dioda

tranzistor idealni tranzistor

priključak pristup

U dosta slučajeva nema zasebnog naziva za pojmove u idealnom svijetu i u realnom svijetu. Zato se dodaje pridjev ‘realni’ ili ‘idealni’, primjerice:

- realni tiristor - idealni tiristor

- realni naponski izvor - idealni naponski izvor

itd.

Modeli poluvodičkih ventila - DIODA

iON

vOFF

Jednokvadrantna

sklopka

(strujno jednosmjerna, naponski jednopolna)

• neupravljiva, jednokvadrantna sklopka,

• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K),

• preuzima nagativni (zaporni) napon u stanju nevođenja,

• sklopno stanje ovisi samo o struji i/ili naponu na stezaljkama A i K

A

K

Modeli poluvodičkih ventila - TIRISTOR

vOF

F

iONDvokvadrantna

sklopka

(strujno jednosmjerna, naponski dvopolna)

• (polu)upravljiva, samo 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 (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja

G

A

K

Modeli poluvodičkih ventila - TIRISTOR

Već na razini osnovne analize sklopova, treba u model tiristora uvesti vrijeme oporavljanja.

vrijeme oporavljanja = minimalno potrebno vrijeme odmaranja

vrijeme oporavljanja komponenta

vrijeme odmaranja sklop

Modeli poluvodičkih ventila – GTO (geitom isklopiv tiristor)

vOF

F

iONDvokvadrantna

sklopka

(strujno jednosmjerna, naponski dvopolna)

• 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 pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja

• isklapa pomoću negativnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu)

G

A

K

(engl. gate turn off thyristor, GTO)

Modeli poluvodičkih ventila – BJT (bipolarni tranzistor)

• 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)

B

C

E

(engl. bipolar junction transistor)

iON

vOFF

Jednokvadrantna

sklopka

(strujno jednosmjerna, naponski jednopolna)

Modeli poluvodičkih ventila – IGBT

(bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom)(engl. insulated gate bipolar transistor)

iON

vOFF

Jednokvadrantna

sklopka

(strujno jednosmjerna, naponski jednopolna)

G

D (C)

S (E)

• 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

Modeli poluvodičkih ventila – MOSFET

(MOS tranzistor s efektom polja)(engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

G

D

S

• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka,

• vodi struju u dva smjeru (u jednom FET u drugom ugrađena dioda),

• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja,

• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa

U primjenama često trebamo strujno dvosmjernu sklopku, možemo je ostvariti kombinacijom ventila

Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u) možemo dodati povratnu diodu.

Ukoliko nas dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET-a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće

B

C

E

Primjer za primjenu dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke je kod izmjenjivača s naponskim ulazom.

Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u ili MOSFET-u) možemo u seriju dodati diodu koja preuzima napon kojeg tranzistor ne bi mogao preuzeti.

U primjenama može zatrebati i strujno jednosmjerna sklopka, a naponski bipolarna sklopka koju također možemo ostvariti kombinacijom ventila

(tranzistor preuzima napon)

(dioda preuzima napon)

B

E

Primjer za primjenu dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke je kod izmjenjivača sa strujnim ulazom.

Idealni nadomjestak za mehaničku sklopku je četverokvadrantna električka sklopka, koja se na različite načine može ostvariti kombinacijom poluvodičkih ventila

• upravljiva, uklopiva i isklopiva, četverokvadrantna sklopka,

• vodi struju u dva smjeru i preuzima napon u dva smjera,

• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi, isklapa nakon uklanjanja tog impulsa

Primjer za primjenu četverokvadrantne sklopke je kod matričnih pretvarača.

Svi naponi i struje su izmjenični, sklopke moraju biti četverokvadrantne. Potrebno je 9 takvih sklopki.

Hidraulička analogija diodne i tiristorske strukture

Analogija tiristorske strukture

Analogija diodne strukture

Kada se jednom izvuče zapor, više se ne može zaustaviti tok.

Hidraulička analogija tranzistorske strukture

MODELI PASIVNIH KOMPONENATA

Model otpornika, prigušnice i kondenzatora

Model otpornika, prigušnice i kondenzatora

Dobro je uvijek na jednak način označavati smjerove napona i struja elemenata i pamtiti formule koje povezuju tako označene polaritete napona i smjerove struja. To su tehničke rutine.

Otpornik

Nadomjesna shema otpornika

metal-film žičani

Frekvencijska ovisnost impedancije žičanog otpornika:

Model komponente ima samo neka svojstva komponente (a ima i svojstva koje komponenta nema).

Matematički model (obično se gradi iz nadomjesne sheme), to je ovisnost struje i o naponu u:

2

22

2

22

11

d

d

d

d

d

d

d

d

d

dd

d

t

uLC

t

uRCu

t

iLRiu

t

iLRi

iit

LiiRu

t

iLRiu

Ako je L = 0 i C = 0, vrijedi Ohmov zakon u = Ri.

i1

i2

i

u

KondenzatorNadomjesna shema kondenzatora

Magnetski vezani induktiviteti (dvonamotni transformator)

Magnetski vezani induktiviteti (dvonamotni transformator)

Magnetski vezani induktiviteti (dvonamotni transformator)

Modeliranje transformatora u elektroenergetici

dio napona se izgubi pri transformaciji

Primjeri transformatora …

… većih snaga (nekoliko kW) …

… i manjih snaga (oko 100 W).