Teljes

1
Teljesítményelektronika
2
Szakirodalom

• Csáky-Ganszky-Ipsits-Marti, Teljesítményelektronik
  a, Muszaki Könyvkiadó, Budapest, 1971.
• Heumann, K., A teljesítményelektronika alapjai,
  Muszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979.
• Rashid, M.H., Power Electronics, Pretince-Hall
  International Inc., 1993.
• Ramshaw, R.S., Power Electronics Semiconductor
  Switches, Chapman Hall, 1993.
• Bencze János, Új utakon a villamos hajtások,
  Magyar Elektronika, 1. Szám, 1994.

3
Teljesítményelektronika tárgyköre

• A villamos energia lehetoleg kisveszteségu
  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
Félvezetok
Vezetok - fémek Ag, Cu, Au, Al, Fe,
Szigetelok - fa, porcelán, üveg, muanyag
Az atomok periódusos rendszerének IV. oszlopába
tartozó elemek Ge, Si, C (gyémánt)
Alapállapotban szigetelok, de külso
hatás következtében vezetové válnak
homérséklet, fény, elektromos tér, mágneses tér
kovalens kötés
6
Szennyezés
A) Intrinsic félvezeto tiszta félvezeto nipi
B) Szennyezett (extrinsic) félvezeto
a) n-típusú 5 vegyértéku elemmel szennyezve P,
As,
- elektron negatív szabad töltéshordozó
negtgtpi
b) p-típusú 3 vegyértéku elemmel szennyezve B,
Al, Ga,
- lyuk pozitív szabad töltéshordozó
pegtgtni

• ho (stb.) hatására a szennyezett félvezetoben is
• keletkeznek szabad elektron-lyuk párok,
• de suruségük nagyságrendekkel kevesebb

7
p-n átmenet
rekombináció
nyitóirányú igénybevétel
záróirányú igénybevétel
- ellentétes Id -vel
(kisebbségi töltéshordozók)
dinamikus egyensúlyi állapot IdID
8
Dióda
Típusai
Zener-dióda

• egy p-n átmenettel rendelkezo
• félvezeto elem

- feszültségstabilizálás
- egyik irányba vezet, másikba nem
Kapacitásdióda
Jelleggörbe

• feszültséggel
• változtatható kapacitás

valóságos
ideális
vezet
Fénykibocsátó dióda (LED)
zár
letörés

• lavina-hatás
• Zener-hatás

Fotodióda

• megvilágítással no
• a záróirányú áram

Áramköri jelölés
Fényelem - fényenergia hasznosítása
9
Tranzisztor
Jelleggörbék
B (bázis) C (kollektor) E (emitter)
- háromrétegu félvezeto
10
Tirisztor
- két p-n átmenet nyitóirányú
igénybevétel
- egy p-n átmenet záróirányú
gate (kapu) vezérlo elektróda
- négy rétegu félvezeto
Ti lezár, ha ITiltItartó
Jelleggörbe
ideális
valóságos
Triac (triak, szimisztor)
GTO
11
Félvezeto eszközök fejlodése
12
Teljesítmény félvezeto eszközökPSDPower
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

13
Teljesítmény félvezeto eszközökPSDPower
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

14
Teljesítmény félvezeto eszközöküzemmódja
Kis teljesítmény esetén
lineáris üzemmód a normál aktív tartományban
ICmax
M
IM
P UMIM
Ut
UM
állandó veszteség gt ho gt hutés
15
Teljesítmény félvezeto eszközöküzemmódja
Nagy teljesítmény esetén
kapcsolásos üzemmód
be
Ki I0
Be U0
ki
P UI 0 ?
16
Teljesítmény félvezeto eszközöküzemmódja
belso kapacitás
lineáris
ki
ki
be
be
induktív fogyasztó
kapcsolásos
17
1. Teljesítmény dióda
A
K
önkényes határ UR?250 V, IF?1 A R
reverse, F forward
18
1.1. Bekapcsolási ido

• forward recovery vagy turn-on time
• ameddig az összes töltéshordozó el kezd vezetni
• (kisebbségi)

I
Bekapcsolási idoállandó TFR rdCD ? (1100)
?s rd vezeto irányú dinamikus ellenállás CD
diffúziós kapacitás ? 100 ?F
?I
U
0
?U
rd ?U/?I rd dU/dI
19
1.2. Felszabadulási ido

• reverse recovery time trr
• visszatérési ido vagy tárolási ido

ameddig az összes (kisebbségi) töltéshordozó
visszatér és a pn átmenet visszanyeri
záróképességét
trr tatb
ta pn átmenetben tárolt kisebbségi
töltéshordozók
tb a félvezeto tömegében tárolt kisebbségi
töltéshordozók
20
1.2. Felszabadulási ido jellemzoi
trr f(IF, di/dt, ??C, )
lágysági tényezo SF tb/ta
0,25IRR
IRR
lágy kikapcsolás
meredek kikapcsolás
IRR felszabadulási áram
21
1.3. Bekapcsolási és felszabadulási ido hatása
?
rövidzár
22
1.3. Bekapcsolási és felszabadulási ido hatásának
kiküszöbölése
i1
D1
Ls csökkenti di/dt-t
Cs átveszi az Ls-ben tárolt energiát
Rs csillapítja a létrejövo rezgéseket
23
1.4. Párhuzamosan kapcsolt diódák
I1
I2
U1 U2
szórás gt különbözo karakterisztikák
ugyan ahhoz a feszültséghez más áramok tartoznak
gt leég
gt D1 túl van terhelve
P1 gt P2
gt az is leég
D2 veszi át a teljes áramot
24
1.4. Megoldás a védelemhez
gt i1?
gt u1?
gt U-u1?
i1 ?
gt di1/dt ?
gt i1( i-i2)?
gt i2?
gt Uu2?
gt u2?
25
1.5. Soroba kapcsolt diódák
Ur1
Ur2
Ir
Különbözo záróirányú karakterisztikák
Ugyanaz a szivárgási áram
gt más zárófeszültségek
gt átüt vagy leég
26
1.5. Megoldás a védelemhez
Tranziens állapotra
Állandósult állapotra
27
1.6. Dióda típusok
trr(50100) ?s

• Általános rendeltetésu diódák
• N (normal)

50, 60 Hz-es hálózat
trr(1020) ?s
speciális eljárások
2. Gyors diódák F (fast)
különleges anyagok Pt, Au
középfrekvencia, digitális rendszerek
trr100 ps
3. Schottky-diódák
fém - Si (n típusú)
kisebbségi töltéshordozók kiküszöbölve
még gyorsabb muködés érheto el
detektorok
28
1.7. Diódák kiválasztása
áramköri kapcsolásból számolt értékek
katalógus adatok
záróirányú feszültség (UR, UBR) legnagyobb értéke
UZmax ? UZmeg
Id ? In
nyitóirányú áram (IF) lineáris középértéke
P ? Pn
vezetoirányú veszteség
29
2. Tirisztor
Bekapcsolása
gt nem kívánatos
homérséklet
gt fényvezérelt LTT
fény
nagy feszültség
gt tönkremehet
meredek feszültségnövekedés
vezérlo elektródára kapcsolt áram
gt általános
30
2.1. Tirisztor bekapcsolási tranziense
IG
td delay time késési ido
10
tr rise time felfutási ido
IT
90
10
ton turn on time bekapcsolási ido
td
tr
ton
31
2.2. Tirisztor vezérlo árama
Gyújtó impulzusnak meglegyen a nagysága
és idotartama a tartóáram kialakulásához
Tirisztor bekapcsolása után a vezérloáramot
megszüntetni (fölösleges veszteség)
Kikapcsolt tirisztoron ne legyen vezérlo jel (a
szivárgási áram tönkreteszi)
32
2.3. Tirisztor kikapcsolódása
3 pn átmenet 2 diódának megfelelo 1
ellentétes
Diódának megfeleloen gt trr Rekombinációs
ido gt trc
tq trrtrc kikapcsolási ido tq f(iT,uT)
33
2.4. Tirisztor hálózati kommutációja
34
2.5. Tirisztor kényszer kommutációja
T2be
T1be
oltókörös tirisztor
35
2.6. Tirisztor védelem
di/dt védelem
du/dt védelem
gt soros Ls
gt párhuzamos Cs
s snubber
36
2.7. Tirisztor típusok
1. Általános tirisztor N (normal)
tq (100200) ?s
? 50, 60 Hz hálózat
2. Gyors tirisztor F (flink)
tq (2060) ?s
kényszerkommutációs, középfrekvenciás áramkör,
inverter
3. GTO Gate Turn-Off gt kikapcsolható tirisztor
impulzus bekapcsol - impulzus kikapcsol
37
2.7.1. GTO / Tirisztor
Elonye a tirisztorral szemben
nem kell kényszerkommutáció
gt nincs szükség további alkatrészekre
kisebb elektromágneses (EM) zavarok
tq (510) ?s
gt no a hatásfok
gyorsabb kikapcsolás
Hátránya tirisztorral szemben
nagyobb feszültségesés vezetéskor
38
2.7.2. GTO / Tranzisztor
Elonye a tranzisztorral szemben
nagyobb zárófeszültség
nagyobb csúcsáram
rövid vezérlo impulzus
nagy bekapcsolási erosítés
Hátránya tranzisztorral szemben
kis kikapcsolási erosítés
hajlamos a telítodésre
39
2.7.3. Triak - TRIAC - szimisztor
két ellenpárhuzamos tirisztor
nincs kijelölt A és K
és impulzussal is bekapcsolható, polaritás
függvényében
40
2.7.4. RCT
RCT Reverse Conducting Thyristor
tirisztorral ellenpárhuzamosan kapcsolt dióda
ASCR Asymmetrical Silicon Controlled Rectifier
41
2.7.5. SITH Static Induction Thyristor
MOSFET-hez hasonló
kisebbségi töltéshordozóra alapuló eszköz
impulzus bekapcsol - impulzus kikapcsol
nagyon érzékeny a gyártási technológiára
42
2.7.6. LTT - LASCR
Light Triggered Thyristor
Light Activated Silicon Controlled Rectifier
villamos vagy galvanikus leválasztás
nagy feszültség, nagy áram alkalmazása esetén
43
2.7.7. MCT MOSFET Controlled Thyristor
feszültség vezérelt
csak adott áram érték alatt vezérelheto
ennél nagyobb áram kikapcsolása esetén tönkremegy
gt hagyományos tirisztor kikapcsolást kell
alkalmazni
kis áram esetén rövidebb vezérloimpulzus is
elégséges
nagy áram esetén hosszabb vezérloimpulzus
szükséges
inverteres vagy szaggatós alkalmazásnál a teljes
be-/kikapcsolási idotartamra folyamatos
vezérlojel kívánatos a bizonytalan állapotok
kiküszöbölése érdekében
44
2.8. Tirisztorok gyújtása
galvanikus vagy villamos leválasztásra van szükség
gyújtótranszformátor
optocsatoló
Az optocsatoló LTT-vel váltható ki.
optocsatoló LED phototranzisztor
gyújtótranszformátor speciális porvasmagos
kivitel
45
2.8.1. Optocsatolós tirisztorgyújtás
46
2.8.2. Transzformátoros tirisztorgyújtás
47
2.8.3. Transzformátoros tirisztorgyújtás erosen
induktív fogyasztó esetén
gt az áram lassan no
gt hosszú gyújtóimpulzusra van szükség a
tartóáram eléréséhez
gt nonek a tirisztor veszteségei
A gyújtótranszformátor csak váltakozó jelet tud
átvinni.
Megoldás impulzuscsomag
48
2.8.4. Impulzuscsomag eloállítása
Tirisztor vezérlo f0
AMV f gtgt f0
pl. f050 Hz, f1 kHz
49
2.8.5. Vezérlokör védelme
50
3. UJT Unijunction Transistor
kétbázisú (egyréteg) tranzisztor
tirisztor gyújtójelének képzésére alkalmazzák
áramköri jelölés
modell
kivitelezés
51
3.1. UJT jellemzoi
RBB interbázis ellenállás

• intrinsic stand-off ratio, leosztási arány
• vagy belso feszültségarány

UE ?UB2B1 UD

• 0,47 0,82

UD (0,6 0,7) V
52
3.2. UJT bemeneti karakterisztika
telítodés
negatív ellenállás
UE UD ? UB2B1
REB1 Rpn RB1, RB1 ?RB1B2
53
3.3. UJT kimeneti karakterisztika
IE
IE0
54
3.4. UJT elonyei
stabil Up billeno feszültség
nagyon kis áram szükséges a billenéshez
negatív ellenállású jelleggörbe
jelleggörbe kevésbé függ a homérséklettol és
idotol
alacsony eloállítási költség
nagy áramimpulzus terhelhetoség
viszonylag nagy muködési sebesség
átkapcsolási ido néhány ns
55
3.5. UJT alkalmazása
tirisztor gyújtása
oszcillátorok, multivibrátorok
idozítok
hullámforma generátor
56
3.6.1. UJT-s oszcillátor
TRCln(1-?)-1
57
3.6.2. UJT-s oszcillátor
I
?R?
58
3.6.3. UJT-s oszcillátor
UJT zár
UJT nyit
Billenési feszültség
C ?? ? Uv, Iv változik
C ?? ? EB1 átmenet tönkremegy
59
3.7.1. Hálózati szinkronizációjú oszcillátor
60
3.7.2. Hálózati szinkronizációjú oszcillátor
?U
Az elso impulzus már begyújt, a többi veszteséget
okoz.
61
3.7.3. Hálózati szinkronizációjú oszcillátor
?U
R1 teljesítménye nagy lesz. Külön kell számolni!
62
4. Teljesítmény tranzisztorok
1. BJT - Bipolar Junction Transistor
Power
bipoláris tranzisztor
teljesítmény
2. MOSFET - Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor
Power
térvezérlésu tranzisztor
teljesítmény
3. SIT Static Induction Transistor

4. IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
szigetelt bázisú bipoláris tranzisztor
63
4.a. Teljesítmény tranzisztorok jellemzoi
Általában kapcsolóüzemben dolgoznak.
A muködés megértéséhez ideális kapcsolónak
tekinthetok.
Be- és kikapcsolásuk egyszerubb a
tirisztorokénál.
A feszültségesés a telítési tartományban kisebb,
mint a hagyományos tranzisztoroknál.
64
4.1.1. Power BJT kapcsolási határadatok
UCEmax, Icmax, Pdmax
Másodfajú letörések helyi forrópontok
kialakulása nagy áramkoncentráció
következtében.

• lehet anyaghiba, de adott U, I, t kombináció is,
• Tehát energiára lehet visszavezetni.

Biztonságos nyitóüzemu tartomány.
Impulzus ms? ?s
Biztonságos záróüzemu tartomány.
SOA Safe Operating Area
65
4.1.2. Power BJT munkapontok
66
4.1.3. Power BJT bázisvezérlések
a) szimmetrikus
b) aszimmetrikus
c) arányos (önzáró)
d) telítés nélküli
67
4.1.3.a. Power BJT szimmetrikus bázisvezérlés
R1
68
4.1.3.b. Power BJT aszimmetrikus bázisvezérlés
69
4.1.3.c. Power BJT arányos (önzáró)
bázisvezérlés
beindulás után K kikapcsolható
? önzáró
külön áramkörrel kell kikapcsolni és C1-et kisütni
? arányos
70
4.1.3.d. Power BJT telítés nélküli
bázisvezérlés
UCE SAT (0,2 0,3) V
? UCE gt UCE SAT
UCE UBE UD1- UD2 UBE (0,6 0,7) V
? gyorsabb kikapcsolás
? Psw csökken
D1 száma no ? UCE no
? Pon no
? gondoskodni kell a többlet ho elvezetésérol
71
4.2.1. Power MOSFET - jellemzoi
- feszültségvezérelt
- kisebb teljesítmény, de nagyobb frekvencia
- nincs másodfajú letörés
- gond az elektrosztatikus kisülés
72
4.2.2. Power MOSFET - vezérlés
A bekapcsolási ido - a bemeneti kapacitástól függ.
- RC taggal csökkentheto.
73
4.2.3. Power MOSFET Totem Pole vezérlés
Emmitterköveto kapcsolás
? kis kimeneti impedanciák T1,2
? csökken a bekapcsolási ido
Visszacsatolás C1-en keresztül beállítja az
ID növekedését és csökkensét
D1 gyors változást biztosít egyik irányban
74
4.3.1. SIT jellemzoi, elve, jelölése
- nagy teljesítmény, nagy frekvencia
- a vákuum trióda félvezeto változata
S
G
D
75
4.3.2. SIT elonyei, vezérlése, alkalmazása
- rövid csatorna ? kis ellenállás ? kis
feszültségesés
- kis zaj, kis torzítás
- kis hoellenállás
- kis G-S kapacitás
- kis kapcsolási ido
Normál állapotban nyitott, negatív vezérlo
feszültség szükséges a lezárásához.
Nagy teljesítményu és nagyfrekvenciás
berendezések audio-, VHF/UHF, mikrohullámú
erosíto
76
4.4.1. IGBT jellemzoi
szigetelt bázisú bipoláris tranzisztor
Kis vezetési veszteség
a BJT és
elonyeit.
Kombinálja
a MOSFET
Nagy bemeneti impedancia
Nincs másodfajú letörés
77
4.4.2. IGBT jelölés, felépítés, modell
C (Collector)
eddig MOSFET, de
G (gate)
E (Emitter)
78
4.4.3. IGBT alkalmazása
-közepes teljesítmény szint
kapcsolási ido
MOSFET lt
lt BJT
AC motorhajtás
tápegységek
szilárdtest relék
79
4.5. Tranzisztorok üzeme
Párhuzamos és soros üzem lásd diódák.
du/dt
Védelem
korlátozás.
di/dt
80
4.6. Tranzisztorok védelme
di/dt Ut/Ls
áramkorlát
3RsCs (fs)(-1)
fs a kapcsolgatási frekvencia
kondenzátor árama
81
5.1. Teljesítménymodulok
teljesítmény félvezeto eszközök
meghajtó áramkörök
Egy egységben
leválasztó áramkörök
vezérlok
védelem
Monolitikus modul
Hibrid modul
egy Si lapkára (chipre) vannak integrálva
külön a teljesítmény félvezetok és külön a
vezérlo elektronika áramkörei
de egy tokban.
Elony közvetlen digitális vezérlés.
Gond hoelvezetés, különösen a monolitikus
modulnál.
82
5.2. Teljesítménymodul példa
83
5.3. Teljesítménymodul alkalmazás
84
6.1. Teljesítmény félvezetoeszközök fobb adatai
85
6.2. Teljesítmény félvezeto-eszközök minoségi
jellemzoi
86
6.2. Teljesítmény félvezetoeszközök alkalmazása
Villamosenergia elosztás
Villamos vontatás
Ti
Villamos hajtások
Háztartási gépek
MCT
Audio, TV, video
10
87
6.3. Félvezeto alapanyagok
tiltott elektronsáv szélessége