VÝKONOVÁ ELEKTRONIKA I

Transkript

1 Vysoká škola báňská - Techncká nverzta Ostrava Faklta elektrotechnky a nformatky VÝKONOVÁ ELEKTRONIKA I pro kombnované a dstanční stdm Petr Chlebš Ostrava 23 1

2 Petr Chlebš, 23 Faklta elektrotechnky a nformatky VŠB Techncká nverzta Ostrava 2

3 1. POLOVODIČOVÉ SOČÁSTKY PRO VÝKONOVO ELEKTRONIK Základní polovodčové sočástky 1.1. Polovodčová doda Čas ke std: 1 hodna Cíl Po prostdování tohoto odstavce bdete mět Prostdováním získate schopnost popsat vlastnost a aplkovat polovodčovood, pomocí měření vyhodnott její základní vlastnost Výklad Obecný pops dody Doda je tvořena jedním PN přechodem. Strktra dody a schématcké značka jso na obr. 1.1 Je-l anoda (vrstva P) prot katodě (vrstva N) polována kladně, je doda v propstném směr. t.j. je sepnta. Dodo prochází propstný prod F (rčený zátěží) a je na ní propstné napětí. Př opačné polartě napětí je doda v závěrném směr. tj. je vypnta. Na dodě je závěrné napětí R rčené velkostí napětí vnějšího zdroje a prochází jí závěrný prod R Obr. 1.1 Doda a základní orentace velčn Voltampérová charakterstka dody Voltampérová charakterstka dody je vedena na obr Má dvě větve: Propstná větev odpovídá propstném stav. Jejím důležtým parametry jso propstné prahové napětí a dferencální propstný odpor r F, defnovaný v rčtém kldovém bodě charakterstky. d di F r F = (1.1) F 3

4 Základní polovodčové sočástky Obr. 1.2 Příklad voltamperové charakterstky dody Závěrná větev odpovídá závěrném stav. Důležtým parametry závěrné větve je dferencální závěrný odpor, defnovaný opět v rčtém kldovém bodě charakterstky a závěrné průrazné napětí (BR). Po překročení hodnoty (BR) se mnohanásobně zmenší hodnota r R. Velkost prod je pak podstatně závslá na napětí a odpor obvod, v němž je doda zapojena. S předpokladem neomezeného nárůst prodochází k destrkc dody. Zatížtelnost Napěťová zatížtelnost je rčena především opakovatelným špčkovým závěrným napětím RRM. Je to nejvyšší přípstná hodnota závěrného napětí, která se na dodě může perodcky opakovat. Př návrh jštění oprot náhodným přepětím je směrodatné neopakovatelné špčkové závěrné napětí RSM. V provoz není přípstné zatěžovat dod napětím vyšším. Relace hodnot RRM, RSM, (BR) je patrná z obr Prodová zatížtelnost. Př provoz vznká na dodě ztrátový výkon. Podstatný je ztrátový výkon vytvářený propstným prodem. Ztrátový výkon vytvářený závěrným prodem je zanedbatelný a vypínací ztrátový výkon se ve své střední hodnotě zpravdla začíná platňovat až př spínacích kmtočtech vyšších než 4 Hz. Celkový ztrátový výkon nesmí způsobt zahřátí křemíkové destčky (polovodčové strktry dody) nad maxmální přípstno hodnot ϑj max. Dynamcké parametry Z přechodných jevů dody má podstatný význam přechod dody z propstného do závěrného stav. Tento přechodný jev se nazývá vypntí dody nebo též komtace dody. Běžné obvodové poměry př rychlém vypínání zjednodšeně zobrazje schéma na obr.1.3a. Po sepntí spínače S (praktcky po sepntí nějaké další polovodčové sočástky) je přpojeno na větev s dodo tzv. komtační napětí k, které způsobí zánk jejího propstného prod. Rychlost zánk je dána vztahem d F k = (1.2) dt L 4

5 Základní polovodčové sočástky Obr Vypntí (komtace) dody Charakterstcké průběhy prod a napětí př vypntí dody jso naznačeny na obrázcích 1.3b, 1.3c. Po pokles propstného prod F k nle prod dodo nezanká, nýbrž přechází se zachováním původní strmost pokleso zpětného směr. Bezprostředně po přechod prod z propstného do zpětného směr totž zůstává ody ve zpětném směr stejná vodvost, jakosponovala ve směr propstném. Za krátkoob se však vodvost ve zpětném směr ztrácí a prod prdce klesá na normální hodnot závěrného prod doda je schopna držet závěrné napětí, zotavl se její závěrný odpor. Pro nterval, který je na obr. 1.3b označen t rr se.požívá termín závěrná zotavovací doba. Prododo v průběh t rr nazýváme prodem komtačním, nebo prodem zotavovacím a označjeme jej rr. Závěrná zotavovací doba je tím větší, čím větší je tzv. komtační náboj dody Q r = t rr rr dt (1.3) Velkost Q r závsí na geometr křemíkové destčky a na požté technolog výroby. Je tedy dána především typem dody. Ovlvňje j však velkost původního propstného prod vypínající dody, strmost pokles tohoto prod a teplota přechod. Strmý pokles komtačního prod ze své maxmální hodnoty rrm způsobje vznk napětí na ndkčnost L. Toto napětí se nepříznvě sperponje na komtační napětí. Tím vznká tzv. komtační přepětí RM. Velkost tohoto přepětí se nejčastěj omezje tzv. RC členem. Dalším nepříznvým důsledkem komtace dody je vznk vypínacího ztrátového výkon, který je ntno važovat př prác na kmtočtech větších než cca 4 Hz. 5

6 Základní polovodčové sočástky Shrntí pojmů 1.1. Polovodčová doda je základním obvodovým prvkem výkonových polovodčových měnčů. Vyskytje se jako hlavní sočástka měnče (např. v směrňovačích), tak jako pomocná sočástka, bez níž by však fnkce měnče byla nemožná (např. tzv. nlová doda př spínání ndktvní zátěže). Velm často plní také různé ochranné fnkce např. prot přepólování. Proto je důležté důkladně pochopt vlastnost dody v návaznostech na požadavky jejch aplkací a podmínek, ve kterých bde pracovat. Jde zejména o propstný stav, závěrný stav, prodovo a napěťovo zatžtelnost a chování př přepólování, tzv. komtac. Otázky Co je podstato polovodčové dody? 2. Jaké podmínky msí být splněny pro orentac dody v propstném směr? 3. Jaké vlastnost vykazje doda v propstném směr? 4. Jaké podmínky msí být splněny pro orentac dody v závěrném směr? 5. Jaké vlastnost vykazje doda v závěrném směr? 6. Jak popsjeme dynamcké parametry dod? 7. Čím jso charakterstcké rychlé dody, dody s měkko komtací a lavnové dody? 8. Které katalogové parametry dody složí pro volbody do konkrétní aplkace? 1.2. Tyrstor Čas ke std: 1 hodna Cíl Po prostdování tohoto odstavce bdete mět Prostdováním získate schopnost popsat vlastnost a aplkovat polovodčový tyrstor, pomocí měření vyhodnott jeho základní vlastnost Výklad Obecný pops tyrstor Tyrstor je čtyřvrstvý polovodčový prvek se třem PN přechody. Jeho strktra vyplývá z obr Krajní vrstva s vodvostí P je spojena s anodovo A, krajní vrstva s vodvostí N s katodo K. Vntřní vrstvy se nazývají N báze a P báze. Řídcí elektroda G je spojena s P-bází. Tyrstor může pracovat ve vypntém nebo sepntém stav. Je-l tyrstor vypnt, může mít anoda oprot katodě kladné napětí D (blokovací směr) a tyrstorem protéká malý blokovací prod D, rčený vlastnostm tyrstor, nebo záporné napětí R (závěrný směr) s prodem R. 6

7 Základní polovodčové sočástky Text [11] strktrovaný po malých celcích - Txxxxxxxx xxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxx xxxxxx xxxx Yyyyyyy yyyyyy yyy... Text může být jné velkost (1 12). Obr. 1.4 Odvození náhradního schémat tyrstor Přvedením mpls G > do řídcí elektrody přechází tyrstor z blokovacího stavo stav sepntého. Na tyrstor je malé propstné napětí T rčené vlastnostm tyrstor a protéká jm prod T rčený zátěží. Vypntí, t.j. přechod z propstného do závěrného, případně blokovacího stav nelze základních typů tyrstorů řídcí elektrodo tyrstor ovlvnt. Vypntí nastává po zánk propstného prod, jakmle tyrstor obnoví blokovací schopnost. Schematcká značka a orentace velčn vyplývá z obr. 1.5 Obr. 1.5 Schematcká značka a základní orentace velčn tyrstor Výstpní voltampérová charakterstka tyrstor Výstpní VA charakterstka (obr. 1.6) dává závslost anodového prod tyrstor na anodovém napětí. Tato charakterstka má tř větve závěrno, blokovací a propstno. Závěrná charakterstka popsje závslost vypntého, závěrně pólovaného tyrstor. Průběh odpovídá závěrné charakterstce dody. S rostocím g závěrný prod narůstá. Př překročení průrazného napětí (BR) dochází ke znčení tyrstor. Blokovací charakterstka popsje závslost vypntého, avšak propstně pólovaného tyrstor. Př G = je tvar blokovací charakterstky podobný závěrné charakterstce. Př překročení spínacího napětí (B) dochází k sepntí tyrstor. Př G > narůstá hodnota D a k sepntí tyrstorochází př nžších hodnotách napětí (B). Spínání tyrstorů překročením spínacího napětí není vhodné. Spínání se zásadně provádí přvedením prodového mpls G > v obvod řídcí elektroda katoda. 7

8 Základní polovodčové sočástky Obr. 1.6 Příklad výstpní V-A charakterstky tyrstor Propstná charakterstka popsje závslost sepntého tyrstor. Má podobný tvar jako propstná charakterstka dody. Je charakterzovaná propstným prahovým napětím (T) a dferencálním propstným odporem T. Na rozdíl od dody je na propstné charakterstce defnován vratný prod H, př kterém tyrstor přechází př vedení prod z propstného stavo stav blokovacího. Má-l se tyrstor držet v sepntém stav, msí být př spínání tyrstorodržen přídržný prod L > H. Napěťová zatížtelnost tyrstor Napěťová zatížtelnost je podobně jako od dávána opakovatelným špčkovým napětím v závěrném RRM a blokovacím DRM směr, rčjícím největší přípstno hodnot napětí, které se může na tyrstor perodcky opakovat. Ztrátový výkon tyrstor Základním předpokladem spolehlvého provoz tyrstorů je dodržení dovolené provozní teploty tyrstor. Maxmální přípstná teplota přechod je obvykle dána teploto, př které ztrácí tyrstor své blokovací schopnost. Tato teplota se pohybje podle typ tyrstor v rozmezí 1 až 15 C. Nejnžší přípstná pracovní teplota se pohybje v rozmezí 65 C a je dána mechanckým namáháním tyrstorového systém vlvem různých koefcentů tepelné roztažnost žtých materálů, případně zvýšeným výkonem, potřebným k sepntí tyrstor. Teplota přechodů je rčena zatížením tyrstor, t.j. velkostí ztrát vznkajících v tyrstor. Podle mechansm jejch vznk rozeznáváme následjící drhy ztrát, které vytváří: a) ztrátový výkon propstným prodem b) ztrátový výkon závěrným prodem c) ztrátový výkon blokovacím prodem d) zapínací a vypínací ztrátový výkon. 8

9 Základní polovodčové sočástky Př kmtočtech v mezích 5 až 4 Hz je podstatný poze ztrátový výkon propstným prodem. Ztrátový výkon vznkající př zapínání tyrstor nabývá význam až př vyšších kmtočtech (nad 4 Hz), kdy se rovněž platní ztráty vznkající př vypínání tyrstor. Ztrátový výkon způsobený závěrným, případně blokovacím prodem je obvykle zanedbatelný. Vstpní voltampérová charakterstka tyrstor Tato charakterstka popsje závslost mez napětím G a prodem G řídcí elektrody. Vzhledem ke značném rozptyl charakterstk jso v podkladech tyrstorů dávány krajní charakterstky vymezjící oblast, ve které se může vstpní charakterstka konkrétního tyrstor pohybovat. Obr. 1.7 Vstpní charakterstka tyrstor Zatížtelnost obvod řídcí elektrody je rčována největší přípstno střední hodnoto P G(AV)max ztrátového výkon. Je-l tyrstor zapínán perodcky s perodo T = 2 ms prodovým mplsy šířky ψ, je maxmální přípstný výkon P GM mpls rčen vztahem = ( AV )max P GM P G 2 ψ (1.4) Ve vstpní voltampérové charakterstce jso křvky konstantního P GM vyjádřeny hyperbolam, vyznačeným na obr. 1.7 pro dvě šířky mplsů ψ. Potřebná šířka zapínacího mpls je nejčastěj rčena požadavky aplkace, t.j. měnčem, ve kterém má být tyrstor požt. Na obr. 1.7 je rovněž vyznačeno zapínací napětí GT a zapínací prod I GT, dávající nejmenší napětí a nejmenší prod, př kterém sepne lbovolný tyrstor daného typ v celém rozsah pracovních teplot. Ve vyšrafované oblast (př šířce mpls ψ) lze tyrstor spolehlvě zapínat, anž by byl poškozen obvod řídcí elektrody. Je-l tyrstor zapínán ze zdroje s napětím naprázdno a vntřním odporem R, msí být zatěžovací přímka rčená rovncí procházející vyšrafovano oblastí. = R G G Zdroj zapínacích mplsů msí kromě toho splňovat ještě některé další podmínky: - vzhledem ke špatným závěrným vlastnostem přechod G K nesmí namáhat tento přechod závěrným napětím, - má zarčt strmé nástpní čelo mpls, (1.5) 9

10 Základní polovodčové sočástky - má zabezpečt galvancké oddělení zdroje zapínacích mplsů od výkonového obvod, což je nejčastěj řešeno oddělovacím transformátorem, případně optoelektronckým oddělovacím členem. Dynamcké parametry Praktcký význam mají dynamcké procesy vznkající př přpojování blokovacího napětí př zapínání a vypínání tyrstor. Přpojení blokovacího napětí Př nárůst blokovacího napětí může dojít k sepntí tyrstor bez řídcího sgnál, když anodové napětí nepřekročlo hodnot (B). Je to způsobeno kapacto středního přechod, který je pólován v závěrném směr. Obr.1.8 Náhradní schéma řídcího přechod př rychlých změnách blokovacího napětí Náhradní schéma středního přechod př rychlých změnách anodového napětí je vedeno na obr Celková hodnota prod, který protéká středním přechodem, je dána rovncí D = D + C R D D d dt D (1.6) První složka je dána velkostí blokovacího napětí a její velkost odpovídá blokovací charakterstce tyrstor. Drhá složka se platní př změnách blokovacího napětí. Dosáhne-l sočet obo složek velkost zapínacího prod, tyrstor sepne, anž překročíme hodnot průrazného blokovacího napětí (BO). S krt Dovolená strmost nárůst napětí d = dt D krt (1.7) se dává v katalozích jako hodnota, která nesmí být překročena (obvykle desítky až stovky V/µs). Hodnot D /dt lze zvětšt zapojením odpor mez řídcí elektrod a katod. Strmost d D /dt přpojovaného napětí je omezována do přípstných mezí RC členem, řazeným paralelně k tyrstor. Zapínání tyrstor Po přvedení zapínacího mpls nenastane sepntí tyrstor okamžtě. Anodový prod protéká nejdříve poze úzkým kanálem nacházejícím se v blízkost řídcí elektrody. Od tohoto místa se vedení prod postpně šíří do celého průřez tyrstor. 1

11 Základní polovodčové sočástky Obr. 9 Průběh zapínání tyrstor Časový průběh anodového napětí tyrstor př zapínání je veden na obr Na časovém průběh jso charakterstcké následjící úseky: Doba zpoždění t d je doba potřebná na vytvoření prodového kanál. Je rovna časovém nterval mez začátkem řídcího mpls a okamžkem, kdy napětí na tyrstor poklesne na 9% původní hodnoty. Doba pokles t p je doba šíření vodvost v průřez tyrstor. Je defnována jako doba, za ktero poklesne anodové napětí z 9 na 1% původní hodnoty. Zapínací doba tyrstor t gt je defnována sočtem obo časů. Velkost zapínací doby lze ovlvnt především velkostí prod G. Př velkých strmostech nárůst propstného prod, kdy je prod v počáteční fáz zapínání sostředěn poze do okolí řídcí elektrody, by mohlo dojít k místním přehřátí přechod a k poškození tyrstor. Strmost růst T je proto omezována na krtcko strmost růst propstného prod S Ikrt, která se pohybje v hodnotách desítek až stovek A/µs. S Ikrt dt = dt krt (1.8) 11

12 Základní polovodčové sočástky Strmost d T /dt propstného prod je omezována ndkčností větve, v níž je tyrstor zapojen. V případě potřeby je ndkčnost ntno zvětšt zařazením přídavného reaktor. Vypínání tyrstorů Vypínání tyrstorů spočívá v odčerpání nadbytečných nostelů vodvost z polovodčové strktry tyrstor. Obr. 1.1 Vypínání tyrstor Tato podmínka se dosahje snížením anodového prod tyrstorem pod hodnot vratného prod H na dostatečně dlohoob. Př vypínání tyrstorů je ntno rozlšovat dva procesy. Je to jednak proces komtace, charakterzovaný závěrno zotavovací dobo t rr a komtačním náborem Q r, jednak proces obnovení blokovací schopnost tyrstor, charakterzovaný vypínací dobo tyrstor t q, která je obvykle mnohonásobně delší, než doba t rr (obr. 1.1). Vypínací doba t q představje nterval mez průchodem propstného prod nlo a okamžkem, ve kterém je jž možno znov přložt na tyrstor blokovací napětí, anž by tyrstor znov sepnl. Velkost vypínací doby závsí na velkost přloženého závěrného napětí, na vypínaném prod a teplotě přechod. běžných tyrstorů dosahje hodnoty desítek µs. Shrntí pojmů 1.2. Tyrstor je základní řdtelná čtyvrstvá polovodčová sočástka. Může se nacházet ve třech stavech. V závěrném stav nemůže propoštět prod, je pólován závěrně. V dopředném směr se může nacházet v rozepntém stav tzv. blokovací stav tyrstor, nebo po přvedení dostatečného prodového mplso řídcí elektrody přechází z blokovacího do sepntého stav. Pro vypntí tyrstor je ntné zajstt vnějším obvodem dostatečně dlohý nterval, př němž je katodový prod tyrstor menší než hodnota jeho vratného prod. Př sepntí tyrstor msí být zajštěn přjatelná strmost nárůst propstného prod, př vypntí nesmí být překročena dovolená strmost nárůst blokovacího napětí. Důležté parametry tyrstor jso popsány sado statckých, dynamckých a tepelných katalogových údajů. Tyrstor je značně přetžtelná sočástka požtelná zejména v řízených směrňovačích pro fázové řízení, příp. jných měnčích s vnější komtací od výkon stovek watů až po výkony jednotek megawatů. Otázky

13 Základní polovodčové sočástky 1. Co tvoří strktr tyrstor? 2. Jaké podmínky msí být splněny pro stav tyrstor v blokovacím režm? 3. Jaké vlastnost vykazje tyrstor v blokovacím režm? 4. Jaké podmínky msí být splněny pro orentac tyrstor v závěrném a propstném směr? 5. Jaké vlastnost vykazje tyrstor v závěrném směr? 6. Jaké vlastnost vykazje tyrstor v propstném směr? 7. Které parametry popsjí dynamcké parametry tyrstor? 8. Jak probíhá vypínání tyrstor? 9. Jaké ztráty se vytvářejí na tyrstor a za jakých podmínek? 1. Které katalogové parametry dody složí pro volb tyrstoro konkrétní aplkace? 1.3. Vypnatelné tyrstory Čas ke std: 1 hodna Cíl Po prostdování tohoto odstavce bdete mět Prostdováním získate schopnost popsat vlastnost a aplkace vypnatelných polovodčových tyrstorů. Výklad Obecný pops vypnatelného tyrstor Způsob zapínání poměry v zapntém stav jso vypnatelných tyrstorových strktr v základních prncpech shodné s klasckým tyrstory. Proto se dále zaměříme jen na odlšnost vypnatelné tyrstorové strktry především př proces vypínání, který je nejobtížnějším úsekem jeho pracovní perody. Obr Prncpální spořádání vypnatelné tyrstorové strktry 13

14 Základní polovodčové sočástky Čnnost vypnatelných tyrstorových strktr lze popsat podle náhradního zapojení na obr. 1.11, které je v podstatě shodné s obr Odlšnost fnkce vzhledem k běžném tyrstor vychází z pravené strktry polovodčové desky. Podmínko pro možnost vypntí tyrstor řídcím elektrckým mplsem je rozčlenění jeho katody (vrstvy N 2 ) do velkého množství paralelně zapojených katodových (emtorových) elementů (tzv. prstů vz. obr.1.12), z nchž každý je obklopen řídcí elektrodo, tj. vrstvo P 2. Vypntí lze provést zršením vedené kladné zpětné vazby mez náhradním tranzstory tvořeným na obr. 11 vrstvam P 1 N 1 P 2 a N 1 P 2 N 2 přložením záporného napětí na řídcí elektrod G vzhledem ke katodě K. V důsledk toho jso jž exstjící nově z anody přcházející díry ve vrstvě P 2 (tj. njekce α p I A ) odvedeny do elektrody G, emtorový přechod J 3 (tj. přechod P 2 N 2 ) přechází do vypntého stav a v tím njekce elektronů α n I K zanká a tyrstor se vypíná. Obr Možnost spořádání elementů na výřezesky GTO tyrstor Vypnatelné tyrstory GTO vedený prncp čnnost je plně platný pro čnnost tyrstor GTO, jehož konstrkční provedení je velce blízké provedení běžných tyrstorů větších prodů. Díky robstnost své polovodčové strktry se v sočasnost tyrstory GTO pro prody menší než cca 2 A nevyrábějí. Proto jso vyžívány především v měnčích velkých výkonů, které moho pracovat s menším spínacím kmtočty, cca do 1kHz. Sočasně vyráběné tyrstory GTO lze požít pro spínání napětí přesahjících až 6 kv př prodech dosahjících cca 3,5 ka. Patří k sočástkám s nejvyšším dosahovaným elektrckým parametry Omezení spínacího kmtočt vyplývá rovněž z vlastností této strktry. Př vypínání totž pokles katodového prod I K k nle neproběhne skokově, nýbrž postpně během několka mkroseknd. Je to způsobeno sktečností, že katodové elementy ( prsty ), tedy jednotlvé část přechod P 2 N 2, jednak nevypínají přesně sočasně a jednak každý z nch vypíná postpně, což má nepříznvé důsledky. Tím, že každý katodový element vypíná postpně od svého obvod (tj. styk s P 2 ) je katodový prod I K (nebol anodový prod na dráze anoda katoda) koncentrován do stále žších kanálů č prodových vláken. zavření prodových vláken tedy znamená jak zánk njekce elektronů α n I K, tzn. prod I K, tak sočasný narůst blokovacího napětí sočástky na přechod J 2. vedené zžování vodvého průřez, kterým prochází prod I K, má za následek nárůst prodové hstoty v prodových vláknech, což vede k jejch lokálním přehřátí. Jde o rzkový jev, který by mohl způsobt destrkc sočástky. Toto rzko lze odstrant přpojením tzv. odlehčovacího obvod pro vypínání (trn-off snbber) paralelně k sočástce. Jeho základní sočástí je nenabtý kondenzátor, který odvede část 14

15 Základní polovodčové sočástky vypínaného prod mmo vypínaný GTO, respektve během vypínání sníží nárůst blokovacího napětí d D /dt na sočástce. Fnkce odlehčovacího obvod je pro vypínání sočástek GTO natolk významná, že pro zajštění zarčené vypínací schopnost GTO výrobc dávají kapact kondenzátor (C s ), který je ntno v odlehčovacím obvod požít. Požtím odlehčovacího obvod se však doba vypntí spínače s GTO tyrstorem prodloží, což s vyncje výše zmíněné omezení spínacího kmtočt. Po zánk katodového prod I K je strktra GTO ohrožena ještě nebezpečím lavnového průraz ochzené oblast přechod J 2. Potlačení tohoto jev se provádí technologckým úpravam strktry tyrstor GTO. Řízení tyrstor GTO př spínání se provádí prodovým mplsem do řídcí elektrody G př velkost prod I G srovnatelné s běžným tyrstorem. Díky menší velkost sočntelů α a, α n však msí vypínací mpls I G nabývat podstatně vyšší hodnoty prod v řádesítek amperů. Řídcí obvody proto mají relatvně velko spotřeb a jejch konstrkce je složtá. Prncp sočástky IGCT a její přednost Sočástka IGCT (Integrated Gate-Commtated Thyrstor) je v podstatě velm tvrdě komtovaný (tj. extrémně rychle vypínaný) vypínací tyrstor GTO. Základním rozdílným parametrem GTO a IGCT je proto rychlost vypínacího proces. Intenzvní vypínání je docíleno konstrkčním rozdělením IGCT do dvo základních částí: tyrstorové strktry GCT (která je místěna v pastlkovém pozdr obdobně jako sočástka GTO) a řídcího obvod, ke kterém je pastlka GCT přpojena co nejtěsněj, ke kterém je Integrována. Toto ntegrací bdče k výkonové strktře jso potlačeny paraztní ndkčnost přívodů zdroje řídcích vypínacích mplsů, které tak moho dosáhnot extrémně vysoko strmost nárůst řídcího vypínacího prod RG. Tyrstorová strktra polovodčových sočástek GTO a GCT zůstává v prncp stejná, a proto lze základní vlastnost obo sočástek vysthnot stejným náhradním zapojením podle obr. 11. sočástky IGCT narůstá však vypínací prod řídcí elektrody RG tak strmě, že zjednodšeně řečeno dříve než se výrazně změní rozložení nábojů na jednotlvých přechodech tyrstorové strktry, je celý anodový prod I A skokově převeden do řídcí elektrody G (tedy je komtován řídcí elektrodo, vz nezkrácený anglcký název sočástky). Tím je spodní tranzstor tj. N 1 P 2 N 2 praktcky skokově vyřazen a vypínání sočástky GCT je převedeno na vypntí horního tranzstor P 1 N 1 P 2. Toto je právě prncpální rozdíl oprot způsob, kterým vypíná sočástka GTO. Extrémní strmost nárůst řídcího vypínacího prod RG /dt způsobí, že vypínaná tyrstorová strktra GCT je nejdříve převedena na tranzstorovo strktr P 1 N 1 P 2 a teprve potom následje vypntí tohoto tranzstor. Rozdíl v průběh vypínání je patrný z obr

16 Obr Porovnání časových průběh vypntí tyrstorů GTO a GCT Základní polovodčové sočástky Proto má strktra GCT oprot GTO př vypínání tyto důležté přednost: - je vyločen proces postpného vytěsňování katodového prod a problémy s tím spojené, - není omezena strmost nárůst blokovacího napětí (parametr d D /dt), - není zapotřebí odlehčovací sítě (tedy kondenzátor C s a obvodů k něm přpojených), - jso sníženy vypínací ztráty, - je významně zkrácena vypínací doba. Sočástka IGCT tak v sobě slčje hlavní výhody tyrstor (nízký propstný úbytek, nízké ztráty propstným prodem) s výhodam tranzstor, respektve sočástky IGBT, tzn. výhodný způsob poměrně rychlého vypínání bez odlehčovací sítě. Společno výhodo obo vypnatelných tyrstorových strktr je možnost vyrobt tyto zpětně závěrné, což možňje realzac měnčů prodového typ, např. prodových střídačů nebo plsních směrňovačů. Shrntí pojmů 1.3. Vypnatelné tyrstory mají strktr prncpálně shodno s běžným tyrstory. Plošným spořádáním elektrod lze docílt pomocí njekce záporného prodo řídcí elektrody zaškrcování vodvé cesty katodového prod a tím vypntí tyrstor. Tyrstor GTO msí být vybaven odlehčovacím obvodem, který př tomto proces odvede prod ze sočástky. Tyrstor IGCT je konstrován tak, že na krátkoob převede katodový prod bdcí obvod, který je ntegrován přímo na pozdro výkonové sočástky. Vypntí IGCT je proto podstatně rychlejší než GTO. Obě vedené sočástky jso vhodné pro konstrkc měnčů velkých výkonů. Otázky Jak se lší strktra vypnatelného tyrstor od běžného? 2. Jak dochází k vypínání vypnatelného tyrstor? 3. Čím se lší tyrstory GTO a GCT, resp. IGCT? 4. Jakým obvodem msí být doplněn GTO a proč? 5. Jak probíhá vypínání strktry GCT? 6. V čem spočívají výhody požtí vypnatelných tyrstorů? 7. Jak msí být navržen a dmenzován řídcí obvod GTO, resp. IGCT? 8. Pro jaké aplkace jso vhodné GTO a IGCT? 16

17 Základní polovodčové sočástky 1.4. Trak Čas ke std: 15 mnt Cíl Po prostdování tohoto odstavce bdete mět Prostdováním získat schopnost popsat vlastnost a aplkovat trak, pomocí měření vyhodnott jeho vlastnost. Výklad Polovodčová strktra trak, který lze chápat jako obosměrný tyrstor, má schématcko značk spol s náhradním schématem vedeno na obr Trak má podobné vlastnost jako antparalelně řazené tyrstory, takže sočástka vykazje obosměrno vodvost a exstje ní poze blokovací a propstný stav. Orentace výstpních velčn vyplývá z obr , výstpní voltampérová charakterstka trak je na obr Obr Schematcká značka a náhradní schema trak Přechod z blokovacího do sepntého stav je pro oba směry prod řízen společným hradlem G. Řídcí prod tekocí obvodem G, A1 může být jak kladný tak záporný. Vstpní obvod není však ve všech případech stejně ctlvý. Největší prod řídcí elektrody je potřebný př zapínání trak př záporném D kladným prodem G. Zapínání v této varantě proto není doporčováno. 17

18 Základní polovodčové sočástky Obr Orentace velčn trak Obr Voltamperová charakterstka trak Dynamcké parametry trak, zejména S Ikrt a S krt, jso ve srovnání s vlastnostm tyrstorů horší. Velm malá je rovněž odolnost prot přepětí, což vyžadje v praktckých aplkacích značné napětové předmenzování. Vzhledem k těmto vlastnostem se také doporčje paralelně k trak zapojt serový obvod RC, který sníží strmost d D /dt, případně omezí přepěťové špčky na trak. K vypntí trakojde po dostatečně dlohém pokles anodového prod pod hodnot vratného prod I H, resp. I HR.Tento pokles msí být zajštěm napájením, např. z anodového obvod. Proto se trak nejčastěj vyžívá jako střídavý spínač pro cyklcké, nebo fázové řízení střídavých obvodů. Shrntí pojmů 1.4. Trak je řdtelným obvodovým prvkem se symetrcko blokovací charakterstko pro obě polarty blokovacího napětí, ve kterých je řdtelný. Vyžívá se zejména pro fázové řízení ve spínačích a reglátorech střídavého prod malých výkonů, zejména v komerční elektronce (stmívače, reglátory otáček komtátorových motorů, reglace teploty elektrotepelných spotřebčů). Vzhledem k absenc závěrné charakterstky je málo odolný na vyšší strmost nárůst blokovacího napětí a je málo přetžtelný. Otázky Čím je charakterstcká strktra trak? 2. Kterým částm je tvořena voltamperová chraktertka trak? 3. Jaké vlastnost vykazje trak v blokovacím režm? 4. Jak lze řídt trak? 5. Které způsoby řízení trak se nedoporčjí? 6. Pro které aplkace je vhodný trak? 18

19 Základní polovodčové sočástky 1.5. Bpolární tranzstor Čas ke std: 2 hodny Cíl Po prostdování tohoto odstavce bdete mět Prostdováním získat schopnost popsat vlastnost bpolárního tranzstor, pomocí měření vyhodnott jeho vlastnost a aplkovat jej. Výklad Vývoj výkonových vysokonapěťových tranzstorů a růst jejch technckých parametrů možňl jejch žtí př návrh a konstrkc nových typů polovodčových řdtelných měnčů menších a středních výkonů, kde nahradly do té doby převážně žívané tyrstory. Tranzstory bpolární jso jž v sočasnost vyžívány v polovodčových měnčích ojedněle. Jako spínače jso polovodčových měnčích vyžívány výhradně tranzstory typ NPN. Voltampérové charakterstky tranzstor v zapojení se společným emtorem Ve výkonových aplkacích je žíváno téměř výhradně zapojení se společným emtorem (obr. 1.17a) a význam má zejména výstpní charakterstka tranzstor, představjící závslost I C = f ( CE ), měřená př konstantním prod báze I B (obr. 1.17b). Obr Příklad voltamperové charakterstky bpolárního tranzstor Kladným prodem báze lze př zadaném CE řídt prod tekocí kolektorem tranzstor. Podle vybzení, tj. velkost prod I B může tranzstor pracovat v přesyceném stav, v nasyceném stav, v aktvním stav, případně ve stav zavřeném. V nasyceném stav př daném prod kolektor I C, který je rčen zátěží, vznká mez kolektorem a emtorem úbytek napětí označený jako satrační napětí kolektor CEsat. Je to charakterstcký parametr dávaný v katalozích př jedné nebo více hodnotách prod kolektor a prod báze. 19

20 Základní polovodčové sočástky Podobným způsobem je rčeno satrační napětí báze BEsat. Satrační napětí CEsat je důležtým parametrem spínacích tranzstorů, neboť dává úbytek napětí na sepntém tranzstor. Velkost tohoto napětí s rostocím prodem kolektor roste a jeho velkost př daném I C s rostocím bzením tranzstor, t.j. s rostocím prodem báze I B klesá. Stpeň bzení tranzstor je proto charakterzován poměrem, který je obecně defnován jako statcký prodový zeslovací čntel h 21E. Protože však je prod kolektor rčen převážně velkostí zátěže, hovoříme v oblast satrace o tzv. vnceném prodovém zesílením B = I I C B (1.9) Závslost satračních napětí BE, CE a prod I C měřená př B = konst. je vedena na obr Obr Závslost satračního napětí na prod kolektor Napětí CEsat s růstem kolektorového prod nad jmenovto hodnot př daném B prdce narůstá. Toho se vyžívá pro čnnost nadprodových ochran tranzstorových spínačů. Podobným způsobem se chová napětí BEsat. Obvod báze tranzstor msí být proto bzen zdrojem konstantního prod. Př bzení zdrojem konstatního napětí by vlvem rostocího protnapětí BEsat prod báze klesal, takže by došlo k odbzení tranzstor, narůst napětí CE, a tím ke zvětšení ztrátového výkon tranzstor. Dostatečné vybzení tranzstor je důležto podmínko bezporchové fnkce tranzstorového spínače. Obr. 19 Průběh prodového zeslovacího čntele bpolárního tranzstor Nasycený stav tranzstor je z jedné strany vymezen mezní čáro nasycení (obr. 1.17b), dávající nejmenší dosažtelné satrační napětí kolektor př rčtém prod I C. Další zvyšování prod báze I B jž nevede k pokles satračního napětí a tranzstor pracje v přesyceném stav. Z drhé strany je nasycený stav vymezen tzv. mez nasycení, rčjící přechod do aktvního stav tranzstor. V 2

21 Základní polovodčové sočástky aktvním stav je napětí CE > BE, v nasyceném stav (obr. 1.18) je naopak BE > CE. Mez nasycení odpovídá tedy podmínka CB =, kdy BE = CE. Sepntí na mez nasycení je tranzstorových spínačů nejvýhodnější. Tranzstor má dosd malé satrační napětí a má přtom výhodné dynamcké vlastnost př vypínání. Aktvní oblast je vyžívána př prác tranzstor jako zeslovače. Nejdůležtějším charakterstckým parametrem tranzstor je prodový zeslovací čntel h 21E. Je to poměr prod kolektor I C k prod báze I B, měřený bďto pro dané napětí mez kolektorem a emtorem, nebo pro daný prod emtor. Typcký průběh této závslost dávaný v katalozích výkonových tranzstorů je nakreslen na obr Zeslovací čntel v oblast malých prodů tranzstor nejdříve narůstá. Př rčtém prod, který je vždy nžší než největší přípstný prod, nastává pokles prodového zeslovacího čntel. Př návrh tranzstorových spínačů je ntno proto važovat hodnot h 21E platno pro největší spínané prody. spínacích tranzstorů však pracje tranzstor v aktvní oblast poze v přechodných dějích př zapínání a vypínání spínače. Do oblast zavřeného stav přechází tranzstor př nlovém prod báze I B = (vz obr. 1.17). Prod kolektor na této charakterstce se označje jako zbytkový prod I CE. dává se jako prod, který protéká kolektorem př daném napětí CE a př nlovém prod báze (I B = ). Zbytkový prod je důležtým parametrem zejména spínacích tranzstorů, neboť hodnotí kvalt rozepntí spínače. Zatížtelnost tranzstor Nejdůležtější charakterstko pro výběr tranzstor je dovolená pracovní oblast. dává mezní hodnoty I C v závslost na napětí CE př propstně pólovaném přechod báze emtor. Práce tranzstor v dovolené pracovní oblast je důležto podmínko spolehlvé fnkce navrhovaného zařízení (měnče). Dovolená pracovní oblast tranzstor je naznačena na obr Prodovo zatížtelnost rčje přímka omezjící pracovní oblast shora dávající největší přípstný prod kolektor I Cmax. Většna výkonových tranzstorů přpoští zvětšení mezního prod př prác v mplsním režm na hodnot I CM max. Obr. 1.2 Dovolená pracovní oblast tranzstor Napěťovo zatížtelnost v propstném směr rčje přímka omezjící dovoleno pracovní oblast zprava, dávající nejvyšší přípstné napětí CEmax rčené př nlovém prod báze. Toto napětí je většno menší než největší přípstné napětí CBmax přechod kolektor báze tranzstor (měřené př nlovém prod emtor). Př záporném předpětí báze a nlovém prod kolektor se přípstná hodnota napětí mez kolektorem a emtorem zvyšje a obvykle dosahje hodnoty blízké CBmax. Záporné předpětí je rčeno největším přípstným napětím mez emtorem a báz (v závěrném směr) EBmax, platným př nlovém prod kolektor. Velkost tohoto napětí je křemíkových tranzstorů malá a dosahje hodnoty 5 až 7 V. Na rozdíl od dody lze tranzstor namáhat poze 21

22 Základní polovodčové sočástky napětím propstného směr. Př závěrné polartě napětí by došlo k proražení přechod báze emtor, a tím ke znčení tranzstor. Dovolená pracovní oblast je dále omezena přímko konstantního výkon Pmax (obr. 1.2). Ztrátový výkon vznkající př provoz tranzstor nesmí způsobt oteplení přechodů nad maxmální přípstno hodnot ϑj max, dávano v datových lstech jako mezní parametr (hodnot 125 C až 2 C). Hodnota P max je dávána pro specfkovano referenční teplot pozdra (obvykle 25 C). Př praktckém provoz tranzstor bde teplota pozdra vždy větší než teplota referenční. Tranzstory je ntno proto chladt a v prax je ntno počítat se snížením hodnoty ztrátového výkon. V oblast vyšších napětí CE př nenlovém prod I C je přípstný ztrátový výkon redkován s ohledem na možnost tzv. drhého průraz. Ke drhém průraz může dojít př poměrně nízké úrovn ztrátového výkon, když tranzstor vede prod př poměrně vysokém CE. K tomto jev dochází především př vypínání odporově ndktvní zátěže tranzstorovým spínačem, kdy prod tranzstor komtje na spolpracjící tzv. nlovood. Dynamcké vlastnost tranzstor V katalozích výkonových tranzstorů se jako dynamcké parametry dávají spínací časy tranzstorového spínače. Charakterstcký průběh prod kolektor C(t) a prod báze př zapínání a vypínání tranzstor je na obr Na obrázk je naznačena zapínací doba tranzstor t on, sestávající z doby zpoždění t d a doby nárůst t r. Vypínací doba t off obsahje dob přesah t s a dob pokles t f. Obr Průběhy zapntí a vypntí tranzstor Dynamcké parametry jso ovlvňovány řado faktorů. Velkost zapínací doby t on se snžje především s rostocím bzením tranzstor. Proto je př zapínání tranzstorového spínače bzen tranzstor zvýšeným prodem I B1. Vypínání tranzstor se provádí obvykle přvedením záporného prod I B2, což snžje především dob přesah t s. Dob t s ovlvňje rovněž stpeň sycení tranzstor před jeho vypínáním. Proto je vhodné sepntého spínače snžovat prod báze I B v závslost na prod I C tak, aby tranzstor pracoval na mez nasycení CB =, kdy doba t s dosahje nejmenší hodnoty. Nepříznvým důsledkem dynamckých jevů je vznk zapínacího a vypínacího ztrátového výkon, který dosahje značných hodnot a omezje frekvenc spínání tranzstorových spínačů řádově do rozsah několka khz. Integrované Darlngtonovy tranzstory 22

23 Základní polovodčové sočástky Značno nevýhodo bpolárních tranzstorů větších výkonů jso poměrně malé hodnoty prodového zeslovacího čntele, což vyžadje bzení tranzstor velkým prody báze. Proto koncové bdcí stpně výkonových tranzstorů vyžívají často známého Darlngtonova zapojení. Výrobc výkonových tranzstorů dodávají takto zapojené tranzstory ve společném pozdře. Prncpální schéma ntegrovaného Darlngtonova tranzstor je na obr Obr Darlngtonovo zapojení bpolárních tranzstorů a) prncpální schéma b) příklad sktečného zapojení v bezpotencálovém modl Vstpní bdcí tranzstor T1 pracje jako emtorový sledovač, jehož zátěž tvoří vstpní odpor hlavního tranzstor T2. Zapojení má proto vyšší prodové zesílení než samotný výkonový tranzstor a pro sepntí tranzstor stačí menší vstpní prod. To zjednodšje návrh bdcího stpně tranzstorového spínače. Satrační napětí Darlngtonova tranzstor je však dáno sočtem satračního napětí CEsat tranzstor T1 a napětí BEsat výstpního tranzstor T2 a je proto vyšší než satrační napětí samotného výkonového tranzstor. Pro zlepšení tepelné stablty a dynamckého chování jso žty ntegrované odpory a doda D1 možňjící vypínání tranzstor T2 záporným prodem báze a přvedení záporného napětí na báz T2 př prác v zavřeném stav. Darlngtonovy tranzstory jso mmo to často vybavovány přídavnoodo D2, která chrání tranzstor před změno polarty napětí CE a zároveň složí jako zpětná doda žívaná v mnoha zapojeních měnčů. Shrntí pojmů 1.5. Bpolární výkonový tranzstor v nedávné mnlost splnl úloh vypnatelného polovodčového spínače pro požtí ve výkonových měnčích. Zajštění pracovních podmínek ve výkonovém řídcím obvod však přnášelo mnohé problémy (omezená dovolená pracovní oblast, sekndární průraz, řízení prod báze v závslost na prod zátěže, optmalzace vypínání), které velm prodražovaly reálné provedení měnčů. Proto je v sočasnost bpolární tranzstor nahrazován spínač na báz npolárních technologí, zejména spínač s IGBT. Otázky Jaké tranzstory jso vyžívány ve výkonové elektronce? 2. Jaké podmínky msí být splněny pro tranzstor v nasyceném stav? 3. Co vyjadřje stpeň bzení tranzstor? 4. Jaký je vztah mez stpněm bzení tranzstor a jeho prodovým zeslovacím čntelem h 21E? 23

24 Základní polovodčové sočástky 5. Jaké nejvyšší napětí můžeme přpojt na tranzstor v rozepntém stav? 6. Proč msíme respektovat dovoleno pracovní oblast tranzstor? 7. Které parametry popsjí dynamcké vlastnost tranzstor? 8. Jak probíhá zapínání a vypínání tranzstor? 9. Pro jaké spínací kmtočty lze bpolární výkonové tranzstory požívat? 1. V čem spočívají výhody a nevýhody požtí Darlngtonova zapojení tranzstorového spínače? 24

25 Základní polovodčové měnče 2 ZÁKLADNÍ POLOVODIČOVÉ MĚNIČE 1.1. Úvod Čas ke std:,5 hodny Cíl Po prostdování tohoto odstavce bdete mět rozlšt základní typy výkonových polovodčových měnčů vysvětlt základní pojmy požívané v termnolog měnčů Výklad Základní rozdělení výkonových polovodčových měnčů Výkonové polovodčové měnče složí ke změně drh a parametrů elektrcké energe. Pro praktcké aplkace přchází v úvah obosměrná přeměna mez střídavo a stejnosměrno energí, příp. řízení velkost stejnosměrné, resp. střídavé energe jedné na hodnot střední, resp. efektvní velkost jné. Typy polovodčových měnčů a jejch vzájemné vazby lze odvodt z obrázk 2.1. Na obrázk znázorňje měnč 1 směrňovače, 2 stejnosměrný měnč napětí, 3 napěťový střídač a 4 střídavý měnč napětí nebo přímý měnč kmtočt. Napěťový střídač mění stejnosměrné napětí na střídavé napětí, jak lze vyvodt z obr.1.1, který kazje základní drhy měnčů. Obr. 2.1 Název obrázk Měnč 1- směrňovač - provádí přeměn střídavé energe na stejnosměrno. Střídač 3 mění naopak stejnosměrno energ na střídavo. Střídavý měnč 4 možňje změn střídavého napětí (příp. prod), kmtočt nebo mpedance. Proto může být tento měnč realzován jako reglátor střídavého prod, nebo přímý měnč kmtočt, nebo měnč mpedance. Stejnosměrný měnč 2, nazývaný 25

26 Základní polovodčové měnče plsním měnčem, možňje změn střední hodnoty stejnosměrného napětí, případně odpor. Př tom podle směr tok energe působí některé měnče energetcky jednosměrně, kdy tok energe procház poze jedním směrem, jné energetcky dvosměrně, kdy tok energe je možný oběma směry. Velm často se vyžívají serové kombnace těchto základních typů měnčů, kdy např. tzv. nepřímých měnčů kmtočt se střídavá energe napřed směrní směrňovačem, vyfltrje a příp. stablzje stejnosměrným měnčem s tím, že je potom střídačem znov přeměněna na střídavo, ale odlšného např. kmtočt, napětí, nebo počt fází. Pro svo čnnost výkonové polovodové měnče, vyžívají polovodčové sočástky, perodcky přecházející z nevodvého do vodvého stav a naopak. Toto označjeme jako spínací režm sočástek. Př analýze vlastností měnčů jso obvykle vlastnost reálných sočástek nahrazovány vlastnostm deálního spínače, který má v sepntém stav nlový odpor, tedy úbytek, v rozepntém stav jím neteče žádný prod, tzn. má nekonečný odpor, který navíc nezávsí na velkost přloženého napětí. (nevažjeme o napěťovém přetížení spínače, nebo jeho průraz) Sočástka může být v nevodvém stav tzn. vypntá, nebo ve vodvém stav, kdy vede prod poze jednoho směr, tzn. je sepntá. Podle schopnost řídt přechod sočástky mez těmto stavy hovoříme o sočástkách neřdtelných (dody), polořdtelných, které lze řídcím mplsem poze spínat (tyrstory, traky) a plně řdtelných (tranzstory bpolární, npolární a IGBT a vypnatelné tyrstory GTO a IGCT), které lze řídcím mplsy do řídcí elektrody sepnot vypnot. Podle způsob, jak dochází k vypínání sočástek (tím vlastně ke komtac, tzn. převádění prod mez spínač) v měnč, rozeznáváme měnče bez komtace, měnče s vlastní komtací a měnče s vnější komtací. měnčů bez komtace dochází k vypntí sočástky prod narůstá od nlové hodnoty. sočástky zánkem prod, tzn. že př sepntí další Měnče s vlastní komtací jso vytvořeny na báz vypnatelných sočástek. Př vypntí jedné sočástky prod přechází na jno sočástk, nebo obvod, který prod převezme.(např. komtace prod z tranzstorového spínače na tzv. nlovood př spínání zátěže s ndkčností, nebo tzv. komtační obvody pro vypínání běžných polořdtelných tyrstorů) měnčů s vnější komtací dochází k vypínání polořdtelných sočástek působením vnějších vlvů, např. změna polarty síťového napětí směrňovačů, nebo měnčů komtovaných zátěží rezonanční obvod zátěže směrňovače 26

27 Základní polovodčové měnče Čas ke std: 4 hodny Cíl Po prostdování tohoto odstavce bdete mět rozlšt a popsat základní typy polovodčových směrňovačů vysvětlt průběhy prod a napětí základních typů směrňovačů analyzovat provozní stavy směrňovačů Výklad Defnce směrňovače směrňovač (obr. 2.2) je zařízení požívané k přeměně střídavé elektrcké energe na energ stejnosměrno. Zdrojem střídavého napájecího napětí pro směrňovač je zpravdla střídavá rozvodná síť. směrňovač k ní bývá přpojen přes reaktory nebo měnčový transformátor (ten nám možní měnt parametry vstpního napětí na požadované hodnoty a zajstí nám galvancké oddělení směrňovače od napájecí sítě). P > - směrňovačový chod Střídavá strana ~ = Stejnosměrná strana Rozdělení směrňovačů P < - střídačový chod Obr. 2.2 Symbolcká značka směrňovače Podle způsob komtace můžeme směrňovače rozdělt do dvo hlavních skpn: - s vnější komtací (s tzv. přrozeno komtací) - s vlastní komtací (s tzv. nceno komtací) Podle řízení tok energe můžeme směrňovače rozdělt na: - neřízené (parametry výstpní elektrcké energe nemoho být řízeny) - řízené (parametry výstpní elektrcké energe moho být řízeny) - polořízené (parametry výstpní elektrcké energe moho být částečně řízeny) Podle počt fází můžeme směrňovače rozdělt na: - 1-fázové - 2-fázové - 3-fázové - m-fázové Podle počt plsů výstpního směrněného napětí můžeme směrňovače rozdělt na: - 1-plsní - 2-plsní 27

28 Podle směr tok energe rozděljeme směrňovače na: - energetcky jednosměrné (tok energe možný jen v jednom směr) - energetcký obosměrné (tok energe možný v obo směrech) Podle drh zapojení polovodčových spínačů rozděljeme směrňovače na: - 3-plsní - 6-plsní - 12-plsní - p-plsní - zlové - můstkové Prncp směrňovače s vnější komtací V1 V3 Z d R Základní polovodčové měnče Tyto směrňovače patří mez nejdéle požívané měnče ve výkonové a spotřební elektronce. Zdroj komtačního napětí těchto směrňovačů, který nám zajšťje komtac prod v jednotlvých větvích měnče bez toho, aby prod v zlvo komtjících větví byl přeršovaný, je místěn vně měnče. Prncp směrňovače s můžeme názorně kázat na 1-fázovém neřízeném můstkovém zapojení s čstě odporovo zátěží (obr.2.2). V1, V2 V3, V4 d 2 m d(av) V4 V2 Obr. 2.2 Prncp směrňovače a) Jednofázového můstkové spojení b) Průběhy směrněného napětí a prod př R zátěž Napájecí napětí má harmoncký charakter, tedy = m sn(). Kladná část perody střídavého napájecího napětí je na zátěž propoštěna polovodčovým dodam V1, V2 a záporná část perody polovodčovým dodam V3, V4. Okamžtá hodnota směrněného napětí na zátěž má charakter plsů sperponovaných na střední hodnotě směrněného napětí d(av). Příznvějšího průběh, tzn. menšího zvlnění směrněného napětí bychom dosáhl zvýšením počt plsů. Ten je dán drhem zapojení a počtem fází směrňovače. Průběh výstpního prod směrňovače d je dán průběhem napětí a drhem zátěže Z. Jako obecno zátěž často važjeme elektrcký odpor R, ndkčnost L a napětí. Na obr.2.2 je zátěž važovaná čstě odporová, proto př rčování velkost a tvar průběh výstpního prod můžeme vycházet přímo z Ohmova zákona I=/R. Všechny zde vedené průběhy napětí a prodů nám kazjí chování směrňovačů v stálených stavech s važováním deálních sočástek (tzn. že jso zde např. zanedbány vntřní odpory a reaktance (komtační ndkčnost vz obr. 2.7) napájecích zdrojů, od jso važovány deální VA charakterstky se zanedbaným dferencálním odporem v propstném směr atd.). V případě reálných směrňovačů by bylo směrněné napětí sníženo o napěťové úbytky na těchto složkách. směrňovače neřízené 28

29 Základní polovodčové měnče těchto drhů směrňovačů jso jako spínače požty polovodčové dody. Proto jejch doba vedení a hodnota výstpního napětí není řdtelná a je přímo závslá na průběh napájecího napětí a zátěž Z. Jednocestné (jednoplsní) spojení Toto zapojení (obr.2.3.a) je nejjednodšším případem směrňovače. Př čstě odporové zátěž polovodčový spínač V (doda) vede jen př kladné půlperodě napájecího napětí (obr. 2.3.b). Pro střední hodnot směrněného napětí d(av) platí vztah (2.1). Průběh směrněného prod je přeršovaný a pro jeho střední hodnot I d(av) platí vztah (2.2). Pro pozdější žtí vedených výpočtů bde střední hodnota směrněného napětí označována ndexem, což má význam nlového řídcího úhl. T m 2 d(av) = d = m sn( ) d =,45 T 2 2 [ cos( ) ] = (2.1) d(av) I d(av) =,45 R R (2.2) Pokd je zátěž tvořena odporem R a ndkčností L je doba vedení polovodčové dody delší, neboť energe nahromaděná v časovém nterval >> (tedy př >) v ndkčnost se snaží př pokles napájecího napětí do záporných hodnot zachovat stejný směr tok elektrcké energe a brání se jeho změně. V nterval od do je energe v ndkčnost kmlována a v nterval od do χ Κ je vracena zpět do zdroje (obr.2.3.c). d V d d 2 d d Z χ = Z R χ = K d(av) 2 χ = Z R L χ K 2 d d χ Z χ K 2 R L (+) R L (-) χ K χ Z 2 Obr. 2.3 a) Zapojení jednocestného směrňovače b)- e)průběhy výstpních prodů a napětí pro různé typy zátěží Čím větší bde ndkčnost zátěže, tím menší bde zvlnění směrněného prod a tím větší bde jeho střední hodnota. Pokd bde zátěž obsahovat navíc vntřní napětí, bde výpočet středních hodnot výstpního napětí a prod ještě složtější. Př sohlasné orentac vntřního napětí zátěže s napětím napájecím začíná polovodčová doda vést prod př zvýšení okamžté hodnoty napájecího napětí nad hodnot vntřního napětí zátěže (obr.2.3.d). Mmo dob, kdy je >, je na dodě závěrné napětí. Doda se přesto nezavře hned, ale vlvem ndkčnost povede do doby než se energe v L nahromaděná odvede zpět do zdroje. Střední hodnota směrněného prod je v tomto případě menší, 29

30 Základní polovodčové měnče neboť doda vede vlvem kladného kratší dob. V případě nesohlasného směr vntřního napětí s napájecím začíná doda vést prod opět př zvýšení hodnoty napětí nad hodnot napětí (obr.2.3.e). I v tomto případě vede vlvem ndkčnost doda v době, kdy se na n jž nachází závěrné napětí. Střední hodnota směrněného prod př záporném roste, neboť na dodě se delší dob nachází kladné napětí. Dvofázové (dvoplsní) zlové spojení Zapojení tohoto směrňovače (obr.2.4.a) dostaneme ze zapojení jednocestného přdáním další fáze. Těmto směrňovačům říkáme zlové, neboť zátěž je z jedné strany přpojena k,,zl fází napájecího zdroje a z drhé k,,zl katod (popř. anod) polovodčových spínačů. Napájecí napětí jso vůč sobě fázově posnty o 18, tzn. 1 = m sn() a 2 = m sn(-). Průběhy směrněného napětí a prod mají stejný charakter jako v případě jednofázového můstkového zapojení (obr.2.2.b), tedy dva plsy za jedn perod napájecího napětí. Př odporové zátěž vede doda V1 př kladné půlvlně napájecího napětí 1, doda V2 př kladné půlvlně napájecího napětí 2. Střední hodnota výstpního napětí d(av) je v porovnání s předchozím zapojením dvakrát vyšší a platí pro ní př spojtém prod vztah (2.3) popř. vztah (2.4). + 2 p p 2 m 2 2 d(av) = d = m sn( ) d =,9 T 2 2 p [ cos( ) ] = (2.3) p = 2 = p 2 2 d(av) m sn sn,9 (2.4) Průběh směrněného prod je roven sočt prodů na jednotlvých dodách d = V1 + V2. S ndktvní zátěží se vedení polovodčových spínačů taktéž nezmění, vede právě ta doda, která má k tom lepší podmínky např. př pokles napětí 1 do záporných hodnot by mohla doda V1 vlvem ndkčnost L ještě vést, ale díky kladné hodnotě napětí 2 převezme vedení prododa V2. Průběh směrněného prod pro R RL zátěž je veden na obr. 2.4.b. S ndktvní zátěží je průběh výstpního prod více vyhlazen a jeho střední hodnota je vyšší. V1 V2 V1 d 2 V1 V2 1 2 V2 Z d(rl) d(r) 2 d(av) 2 1 Obr. 2.4 a) Zapojení dvofázového zlového směrňovače b) Průběhy výstpního prod a napětí př R zátěž Trojfázové(trojplsní) zlové zapojení 3

31 Základní polovodčové měnče Toto zapojení dostaneme složením tří jednocestných směrňovačů (obr.2.5.a). Napájecí napětí jso vůč sobě fázově posnty o 12 tzn. 1 = m sn(), 2 = m sn(-2/3) a 3 = m sn(-4/3). Fnkc směrňovače můžeme rozdělt do tří taktů. Takt je časový nterval mez dvěma po sobě následjícím změnam vodvost větví měnče a nejčastěj je ve schématech označován značkam sepntých sočástek. V prvním takt nám vede doda V1, v drhém V2 a v třetím V3. Z obr.2.5.a je patrno, že př rčování napětí na jednotlvých ventlech v různých taktech můžeme vycházet z II. Krchhoffova zákona. Pokd tedy např. povede doda V1, napětí na ní bde V1 = a na ostatních dodách bdo napětí závěrná V2 =( 2-1 )< a V3 =( 3-1 )<, rovna sdrženým napětím (obr.2.5.c). Z obr.2.5.b vyplývá, že sepntá je vždy ta doda, která je přpojena k fázovém napětí s největší okamžto hodnoto (toto platí pro ndktvní zátěž). Na obr.2.5b,c je dále zobrazen průběh směrněného napětí, které je v jednotlvých taktech shodné s průběhem napájecího napětí přpojeného k anodě (katodě) právě vedocí dody, a prod pro odporovo zátěž. Pro výpočet střední hodnoty směrněného napětí pro spojtý výstpní prod ( pro prod na mez spojtost) platí vztah (2.5) (popř. vztah (2.6), který je v elektrckých pohonech častěj vyžíván). + 2 p 5 d(av) = ω = p 3 m 3 6 t m sn( ) d = 6 1,17 T 2 2 [ cos( ) ] = p 6 (2.5) p 3 2 d(av) = m sn = sn 1,17 p 3 Průběh směrněného prodostaneme jako v předchozím zapojení sočtem prodů v jednotlvých větvích d = V1 + V2 + V3. Průběh prod ventlem V1 je zobrazen na obr.2.5.c. (2.6) V1 V1 V2 V2 V3 d V3 V1 d V2 V3 V1 d(av) 2 V1 1 2 V2 3 V3 Z χ 1 χ 2 χ 3 2 χ V /2 3/2 2 V3 V1 V2 Obr. 2.5 a) Zapojení třífázového zlového směrňovače b) Průběhy výstpního prod a napětí př R zátěž c) Průběhy napětí na ventlech V1, V2, V3 a prod na ventl V1 Obecné vyjádření ntervalů vedení dod (kde za počátek pozorované sostavy je važován počátek kladné půlvlny napájecího napětí 1 : Takt V1: χ 1 χ 2 =(n+/6) (n+5/6) 31