Convertoare statice - IEC.pdf
-
Upload
ionut-danis -
Category
Documents
-
view
487 -
download
5
Transcript of Convertoare statice - IEC.pdf
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
1/236
Convertoare statice
CONVERTOARE STATICE
Suport curs
Inginerie Electric i Calculatoare
Prof.dr.ing. Mihaela Popescu
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
2/236
Cuprins
CONVERTOARE STATICE
1
CUPRINS
1 NOIUNI INTRODUCTIVE 4
1.1. Locul convertoarelor statice n fluxul energetic
1.2. Caracterizarea energiei electrice la ieirea convertorului static
1.3. Clasificarea convertoarelor statice
2ELEMENTE SEMICONDUCTOARE DE PUTERE: DIODA ITIRISTORUL 16
2.1. Introducere
2.2. Dioda
2.3. Tiristorul2.4. Tiristorul cu blocare pe poart (GTO)
2.5. Tranzistoare bipolare de putere (BPT)
2.6. Tranzistoare cu efect de cmp, de putere (MOSFET de putere)
2.7. Tranzistoare bipolare cu baz izolat IGBT
2.8. Tiristoare cu cu inducie static SITh
3ALEGEREA I VERIFICAREA ELEMENTELORSEMICONDUCTOARE DE PUTERE 38
3.1. Pierderile n elementele semiconductoare de de putere
32. Alegerea elementelor semiconductoare de putere
4 PROTECIA ELEMENTELOR SEMICONDUCTOARE DE PUTERE 50
4.1. Protecia tiristoarelor la supratensiuni de comutaie
4.2. Protecia convertoarelor statice conectate la reeaua de c.a.
4.3. Protecia tiristoarelor la scurtcircuit
5 CONVERTOARE STATICE C.A. C.C. (REDRESOARE) 97
5.1. Introducere
5.2. Principiul i teoria general a redresoarelor comandate n faz
5.3. Regimul de curent ntrerupt
5.4. Dimensionarea inductivitii de filtrare
5.5. Scheme de baz ale redresoarelor comandate
5.6. Redresoare bidirecionale
5.7. Comanda redresoarelor cu comutaie natural
6 VARIATOARE DE TENSIUNE ALTERNATIV 141
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
3/236
Cuprins
CONVERTOARE STATICE DE PUTERE
2
6.1. Principiu
6.2.Variatoare monofazate
6.2.1.Principiul, schema de principiu
6.2. 2. Cazul unei sarcini rezistive
6.2.3. Cazul unei sarcini pur inductive
6.2.4. Cazul unei sarcini rezistiv inductive
6.2.5. Mrimi caracteristice
6.3. Variatoare trifazate
7 CICLOCONVERTOARE 156 7.1. Principiul i schema de principiu
7.2.
Comanda cicloconvertoarelor
7.3.
Studiu de caz cicloconvertor realizat cu redresoare cu 3 pulsuri
7.4. Comanda n faz a convertoarelor statice c.a.-c.a. cu comutaie natural
8 VARIATOARE DE TENSIUNE CONTINU 165 8.1. Variatorul de tensiune continu cobortor
8.1.1. Principiul i schema de principiu
8.1.2. Caracteristicile n regim de curent nentrerupt
8.1.3. Expresia curentului prin sarcin
8.1.4. Limita zonei de curent ntrerupt
8.1.5. Regimul de curent ntrerupt
8.1.5.1. Apariia regimului de curent ntrerupt
8.1.5.2. Caracteristicile externe i de comand n regim de curent ntrerupt
8.1.6. Elemente de dimensionare a inductivitii de filtrare
8.1.6.1. Calculul inductivitii necesare pentru limitarea pulsaiilor
8. 1.6.2. Calculul inductivitii necesare pentru evitarea funcionrii VTCn regim de curent ntrerupt
8.1.7. Scheme practice de VTC cobortor
8.1.7.1. VTC cu tranzistor IGBT
8.1.7.2. VTC cu tiristoare i blocare prin polarizare invers (VTC-U)
8.1.7.3. VTC cu tiristoare i stingere prin devierea curentului (VTC-I)
8.1.7.4. Alte topologii de VTC-U i VTC-I
8.2. Variatorul de tensiune continu cobortor
8.2.1. Schema de principiu, comanda, funcionarea
8.2.2. Funcionarea n regim de curent nentrerupt
8.2.3. Limita zonei de curent ntrerupt
8.2.4. Caracteristicile n regim de curent ntrerupt
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
4/236
Cuprins
CONVERTOARE STATICE
3
8.2.5 Comanda
8.3. Variator de tensiune continu n patru cadrane
9 Convertoare statice indirecte de tensiune i frecven 213
9.1. Principiul i schema de principiu
9.2. Invertoare monofazate cu modulaie n amplitudine
9.2.1. Principiul, schema de principiu
9.2.2. Invertorul monofazat cu punct median
9.2.3. Invertorul monofazat n punte
9.3. Invertoare trifazate de tensiune cu modulaie n amplitudine
9.3.1. Schema de principiu, comanda, forme de und
9.3.2. Mrimi caracteristice
9.3.3. Analiza armonic a tensiunii de linie
9.3.4. Structura blocului de comand
9.4. Invertoare trifazate de curent cu modulaie n amplitudine
9.4.1. Schema de principiu, comanda, forme de und
9.4.2. Mrimi caracteristice
9.4.3. Structura blocului de comand
9.5. Convertoare statice de tensiune i frecven cu modulaie n durat
9.5.1 Introducere
9.5.2. Modulaia sinusoidal
9.5.3. Invertor de tensiune cu modulaie sinusoidal9.5.4. Invertor de tensiune cu modulaie trapezoidal
9.5.5 Modulaia n frecven
9.5.6. Modulaia vectorial
9.5.7. Strategii de modulare n bucl nchis
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
5/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE4
1. NOIUNI INTRODUCTIVE
1.1 Locul convertoarelor statice n fluxul energetic
Convertoarele statice (C.S.) sunt echipamente a cror parte de for conine elemente
semiconductoare de putere. Convertoarele statice necomandate sunt construite cu dispozitive
semiconductoare necomandate (diode) i realizeaz conversia energiei electrice tot n energie
electric , modificndu-i acesteia parametrii, fr a permite reglarea puterii medii transmise
sarcinii.
Cursul se refer la convertoarele statice comandate care, sunt construite cu
elemente semiconductoare comandate i care, pe lng conversia energiei electrice, permit
comanda puterii medii transmise sarcinii.
n fluxul energetic, convertorul static este plasat ntre generatorul primar de
energie (G.P.), care furnizeaz energia electric cu parametrii constani (amplitudinea
tensiunii, frecvena, etc.) i sarcina (S), care este un consumator de energie electric (fig. 1.1).
G.P. reprezint sursa primar de energie electric, furniznd de regul energie
electric de curent alternativ sau de curent continuu cu parametrii constani. Poate fi :
-
baterie de acumulator;
-
reea de alimentare;
- transformator;
Fig 1.1. Explicativprivind locul CS n fluxul energetic
GP
CS
S
CCIBIDEP
BT
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
6/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE5
- grup generator independent (motor cu ardere interna + generator electric );
-
microcentrale.
S reprezinta sarcina, este un consumator de energie electric .
Aceasta poate fi:
-
motoare electrice;
-
cuptoare electrice;
-
cuptoare cu microunde i alte echipamente electrocasnice.
Convertorul static, mpreun cu blocul de comand n circuit nchis, formeaz
domeniul electronicii de putere (E.P.).
Pentru fluxul informaional se ntlnesc urmtoarele blocuri:
B.I.D. bloc de introducere a datelor, are rolul de a introduce datele iniiale pentru
comand. Este constituit din:
- chei;
-
butoane;
- tastatur;
-
cititoare de informaie (unitate de disc optic)
C.C.I. bloc de comand n circuit nchis. Elaboreaz unul sau mai multe semnale de
comand pe baza unei strategii de comand stabilite i a unor mrimi ce caracterizeaz
funcionarea ntregului sistem (intensitatea curentului, puterea electric, viteza de rotaie, etc.)
B.T. blocul traductoarelor are rolul de a converti mrimile culese din sistem n
mrimi electrice (tensiuni sau cureni) compatibile ca form si valoare cu intrrile C.C.I.
C.C.I. mpreun cu C.S. formeaz obiectul electronicii de putere.
n sistemele moderne funciile C.C.I. sunt atribuite unui microprocesor sau unui
calculator dedicat.
Convertoarele statice conin dou pri (fig. 1.2):
P.F. partea de for conine elemente semiconductoare de putere comandate
sau semicomandate i blocuri de protecie aferente acestora.
CS BC PF
Fig 1.2. Prile componente ale
convertoarelor statice
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
7/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE6
B.C. bloc de comand, este realizat cu elemente specifice curenilor slabi i
are rolul de a genera semnalele de comand necesare elementelor
semiconductoare de putere i de a le distribui acestora.
Exist dou clase de convertoare statice:
- Convertoare statice necomandate: partea de for este construit cu diode, iar
blocul de comand lipsete;
- Convertoare statice comandate: acestea permit comanda puterii ce se stransfera
de la G.P. la sarcin. Acestea fac obiectul cursului.
Comanda transferului de putere se realizeaz prin modificare parametrilor energiei de ieire
(c.c sau c.a).
1.2. Caracterizarea energiei electrice la ieirea convertorului
static
Convertoarele statice furnizeaz energie ai crei parametri au forme de und diferite
fa de cele ale surselor clasice. Astfel energia de c.c. nu este caracterizat n regim permanent
de tensiune i curent constante, iar energia de c.a. nu este caracterizat de tensiune i curent
sinusoidal.
I.
Energia de curent continuu
Sursa clasic de c.c. este caracterizat de valorile U, I (fig.1.3)
t
ui
I
U
Fig.1.3. Formele de undale curentului i ale
tensiunii ce caracterizeazsursa clasic
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
8/236
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
9/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE8
u,i valori instantanee;
U,I valori efective sau eficace;
2U , 2I - amplitudini;
pulsaia, definit ca fiind:
(1.3) - faza iniial a curentului.
n cazul convertoarelor cu ieire n c.a., curentul i tensiunea nu mai au variaii
sinusoidale, dar sunt alternative i simetrice (fig.1.6).
n acest caz tensiunea i curentul sunt caracterizate de:
-
valoare efectiv a fundamentalei;
-
valoare efectiv global sau total;
-
factorul total de distorsiune armonic.
O tensiune sau curent cu variaie periodic i simetric se poate descompune n serie
Fourier :
(1.4)
Se constat c:
-
termenii de sub sum au pulsaiile: , 2, 3,n(pulsaiile sunt multipli ai
pulsaiei fundamentale); pulsaia fundamental corespunde frecvenei tensiunii realecare se descompune.
- Ak, Bk se numesc amplitudinile componentelor n sinus i respectiv n
cosinus.
iU0
ui
Fig 1.6. Formele de undale curentului i ale
tensiunii ce caracterizeazconvertoarele statice
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
10/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE9
(1.5)
Termenii corespunztori lui k = 1, 2 , 3, n se numesc armonici.
Pentru: k = 1 armonic fundamental;
k > 1 armonic superioar.
Uk reprezint valoarea efectiv a armonicii de ordinul k i este:
(1.6)
- faza iniial a armonicii de ordinul k
(1.7)
Valoarea efectiv (total sau global) se definete astfel:
(1.8)
Factorul total de distorsiune armonic caracterizeaz gradul de deformare al undei
respective (tensiune sau curent) fa de unda sinusoidal.
(1.9)
O definiie mai veche care exist nc n unele standarde este:
(1.10)
1.3. Clasificarea convertoarelor statice
Exist dou criterii mari n raport cu care se poate clasifica:
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
11/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE10
I.
C.S. din punct de vedere energetic;
II.
C.S. din punct de vedere al comutaiei.
1.3.1. Clasificarea convertoarelor statice din punct de vedere
energetic
Se au n vedere formele energiei electrice de la intrarea i respectiv, ieirea
convertoarelor. Astfel, se deosebesc patru categorii de convertoare statice.
1.
Convertoare statice c.a. c.c. sau redresoare, care realizeaz conversia energiei
de c.a. n energie de c.c., iar prin comand se poate regla valoarea medie a
tensiunii redresate (de ieire).
Reea c.a.~ U, f
Fig.1.7 Fluxul de energie n funcie de diferitele tipuri de convertoare statice
c.a.~ U2, f
c.c.= Ud
Redresor
Invertor
Cicloc
onvertor
Varia
torde
tensiunealternativ
Variatordete
nsiunecontinu
Convertor indirect de tensiunei frecven
c.a.~ U1, f1
c.c.= Ud1
uc
UdU, f = ct.
=
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
12/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE11
2. Convertoare statice c.c. c.a. sau invertoare, care realizeaz conversia energiei de
c.c. n energie de c.a., iar prin comand se poate regla frecvena tensiunii de ieire
i eventual, valoarea efectiv a acesteia.
3.
Convertoare statice c.c. c.c. numite i variatoare de tensiune continu, care
convertec energia de c.c. avnd parametrii constani, tot n energie de c.c. dar,
creia i se poate regla valoarea medie a tensiunii. Se mai ntlnesc sub denumirea
de choppere (denumirea din limba englez).
4. Convertoare statice c.a. c.a., care realizeaz conversia energiei de c.a. avnd
parametrii constani (amplitudine i frecven), tot n energie de c.a., ai crei
parametrii pot fi reglai prin comand.
Din aceast categorie fac parte mai multe convertoare.4.1. Variatoare de tensiune alternativ, care permit comanda numai a valorii
efective a tensiunii de la ieire, frecvena acesteia fiind constant i egal cu cea a tensiunii de
la ieire.
4.2. Convertoare statice de tensiune i frecven(C.S.T.F.), care prin comand
permit reglarea att a valorii efective a tensiunii de la ieire, ct i a frecvenei acesteia.
uc
Ud U, f = ct.=
uc
Ud Ud1=
=
U1, f1ct.U, f = ct.
uc
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
13/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE12
La rndul lor, dup modul n care se realizeaz conversia c.a. c.a., aceste
convertoare sunt de dou categorii:
A) C.S.T.F. directe, numite i cicloconvertoare, care realizeaz conversia c.a. c.a. n
mod direct, fr a trece prin forma de c.c..
B) C.S.T.F. indirecte, care realizeaz conversia n dou trepte c.a. c.c. c.a.
Rezult c, acestea conin un redresor i un invertor, iar ntre ele se afl circuitul intermediar
de c.c. format, n general, dintr-o bobin i un condensator (fig. 1.8).
Dup caracterul circuitului intermediar, C.S.T.F. indirecte pot fi:
B1. C.S.T.F. de tensiune, cnd circuitul intermediar are caracter de surs de
tensiune, capacitatea Cdare valoare mare (sute sau mii de F), iar Ldpoate lipsi. n acest caz
tensiunea din circuitul intermediar este practic constant i egal cu voaloare sa medie Ud.
Invertorul distribuie pe fiecare faz a sarcinii aceast tensiune i n consecin tensiunea pe
sarcin este format din una sau mai multe trepte ale cror valori sunt proporionale cu Ud
(tensiunea pe sarcin are o form de und sintetic). Curentul prin sarcin se formeaz n
funcie de parametrii sarcinii (spre exemplu, dac sarcina este pur rezistiv, curentul arat ca
i tensiunea). n acest caz, invertorul are o structur specific i se numete invertor de
tensiune.
B2. C.S.T.F. de curent, cnd circuitul intermediar are caracter de surs de
curent, caracter imprimat prin valoarea important a inductivitii Ld, iar Cd poate lipsi. n
acest caz, curentul din circuitul intermediar este constant si egal cu valoarea sa medie I d.
Invertorul distribuie acest curent pe fazele sarcinii, astfel curentul de sarcin are forma de
~~
~~
Ld
Cd
id
ud
Conversie c.a. c.c.(Redresor)
U1, f1ct.U, f = ct.
RO
Fig.1.8. Schema de principiu a convertorului static de tensiune i frecven
indirect
Conversie c.c. c.a.(Invertor)
Circuitintermediarde c.c.
uc1 uc2
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
14/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE13
und sintetic (fiecare alternan este format din unul sau mai multe pulsuri dreptunghiulare).
Invertorul are o structur specific i se numete, i el, invertor de curent.
Intotdeauna, pentru reglarea frecvenei tensiunii de ieire, comanda se aplic
invertorului, iar dup modul n care se regleaz valoarea efectiv a tensiunii de la ieire,
C.S.T.F. pot fi:
B.a) C.S.T.F.I. cu modulaie n amplitudine. Modificarea valorii efective a
tensiunii de ieire, se face prin modificare amplitudinii ei, adic prin modificarea valorii medii
a tensiunii din circuitul intermediar. Rezult c, redresorul este comandat.
B.b) C.S.T.F.I. cu modulaie n durat (P.W.M). n acest caz, tensiunea sau
curentul de la ieire sunt formate din unul sau mai multe pulsuri de amplitudini constante, dar
de durate i/sau frecvene modificabile prin comand. Rezult c redresorul este necomandat,
iar comanda de modificare a valorii efective a tensiunii se aplic tot invertorului.
1.3.2 Clasificarea convertoarelor statice din punct de vedere al
comutaiei
n general n electrotehnic, prin comutaie se nelege trecerea curentului de sarcin
de pe o ramur de circuit pe o alt ramur de circuit. Pentru realizarea comutaiei este
necesar o energie. n convertoarele statice laturile care comut curentul de sarcina conin
elemente semiconductoare de putere, iar comutaia se realizeaz prin nchiderea unui element
semiconductor i deschiderea altuia.Acest criteriu are n vedere modul n care se asigur energia necesar blocrii
elementelor semiconductoare. Exist astfel:
1. Convertoare statice cu comutaie extern sau natural, la care energia necesar
blocrii elementelor exist n mod natural n circuit i provine de la o surs extern
(generatorul de putere sau sarcina). n aceast categorie intr:
- redresoarele cu comutaie natural;
- variatoarele de tensiune alternativ;
- cicloconvertoarele;
- invertoarele cu comutaie de la sarcin (invertoare ce alimenteaz motoare sincrone).
2. Convertoare statice cu comutaie intern sau forat, la care energia necesar
comutaiei trebuie creat n structura convertorului (n cazul tiristoarelor) sau prin comand
(n cazul elementelor semiconductoare complet comandate). n cazul CS cu tiristoare i
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
15/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE14
comutaie forat, energia necesar comutaiei se obine prin ncrcarea corespunztoare a
unor capaciti. Din aceast categorie fac parte:
- variatoarele de tensiune continu;
- invertoarele din componena CSTF indirect;
- redresoarele i cicloconvertoare cu comutaie forat.
3. Convertoare statice cu comutaie prin zero se mai numesc rezonante sau cu
comutaie "soft". Tensiunea i/sau curentul prin elementele care comuta au o astfel de variaie
nct periodic trec prin zero. Comutaia se realizeaz prin momentele de trecere prin zero ale
tensiunii sau curentului. Astfel energia necesara comutaiei este foarte mic, teoretic zero.
Reprezint o clas recent de convertoare statice.
(1.11)
unde:
pT reprezint pierderile de comutaie;
WT reprezint energia necesar comutaiei.
Utilizarea tot mai extins a elementelor semiconductoare complet comandate, chiar i
n componena redresoarelor, face necesar reconsiderarea acestui ultim criteriu de clasificare,
conceput cnd n construcia convertoarelor statice se utilizau, n exclusivitate, tiristoare i
diode. Se propune astfel, drept criteriu, semnalul de sincronizare care determin intervalul n
care comutaiile pot avea loc. n acest sens, prin convertoare statice cu comutaie extern (dar
nu neaprat natural), se neleg acele convertoare statice la care semnalul de sincronizare se
ia din exteriorul convertorului, de la generatorul de putere. Aceste convertoare statice sunt
cele care au la intrare energie de c.a.:
- redresoarele;
- variatoarele de tensiune alternativ;
- cicloconvertoarele.
Pe de alt parte, prin convertoare statice cu comutaie intern se neleg acele
convertoare statice la care momentele de comutaie nu trebuiesc sincronizate cu o mrime
aferent circuitului de for. n aceast categorie intr convertoarele statice care au la intrare
energie de c.c., respectiv:
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
16/236
1. Noiuni introductive
CONVERTOARE STATICE15
- variatoarele de tensiune continu;
- invertoarele.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
17/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE16
2. ELEMENTE SEMICONDUCTOARE DE
PUTERE
2.1. Introducere
Creterea puterii, att n tensiune ct i n curent, comanda simpl i reducerea
costurilor elementelor semiconductoare de putere sunt argumente care, vor determina n
urmtorii ani, utilizarea convertoarelor statice de putere n noi domenii, ca i crearea de noi
structuri i topologii. Posibilitatea folosirii elementelor semiconductoare ntr-un anume tip de
convertor static (C.S.), cu o topologie sau alta, este reliefat de caracteristica curent - tensiune,
viteza de comutaie i de caracteristicile de comand, ale acestora.
Dac elementele semiconductoare de putere sunt considerate comutatoare ideale,
analiza funcionrii unui C.S. poate fi mult uurat, evideniindu-se astfel, mai simplu,
principalele particulariti funcionale.
Elementele semiconductoare de putere pot fi clasificate n trei grupe, dup posibilitile de
comand:
1. Diode - la care intrarea i ieirea din conducie sunt determinate de partea de for,
respectiv nu sunt comandate.
2. Tiristoare - la care intrarea n conducie se face prin comand, dar blocarea se face
cu un circuit de putere.
3. Elemente complet comandate - la care att deschiderea ct i nchiderea se fac prin
comand. n aceast grup intr tranzistoarele bipolare (Bipolar Power Transistors - BPT),
tranzistoarele MOS cu efect de cmp (MOS Field Effect Transistors -MOSFET), tiristoarele
cu blocare pe poart (Gate Turn Off Thyristors - GTO), tranzistoarele bipolare cu poart
izolat (Insulated Gate Bipolar Transistors -IGBT), tranzistoarele cu inducie static (Static
Induction Transistors - SIT), tiristoarele cu inducie static (Static Induction Thyristors -
SITh) i tiristoarele cu comand MOS (Mos ControlledThyristors- MCT).
2.2. Dioda
Simbolul i caracteristicile diodei sunt artate n fig.2.1, deosebindu-se, ca terminale,
anodul A i catodul K. Caracteristica curent - tensiune arat c, dac dioda este polarizat n
sens direct (uAK > 0), aceasta este n conducie, iar curentul prin ea crete rapid, cderea de
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
18/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
17
tensiune fiind mic (1-2 V), iar dac este polarizat n sens invers (uAK< 0), curentul rezidual
n sens invers este foarte mic, att timp ct tensiunea nu depete valoarea maxim admisibil
VRRM, (VRRM - tensiunea repetitiv maxim admisibil n sens invers), ceea ce corespunde
strii de blocare. Depirea, chiar pentru scurt timp, a acestei valori duce la distrugerea diodei
prin strpungere.
Avnd n vedere aceste aspecte, caracteristica poate fi idealizat ca n fig.2.1.d,
considerndu-se cderea de tensiune nul pe dioda n conducie (polarizat n sens direct) i
curentul nul prin dioda blocat (polarizat n sens invers).
Dioda poate fi considerat un comutator ideal, deoarece timpii de comutaie (intrare n
conducie sau blocare) sunt mult mai mici dect durata regimurilor tranzitorii ce au loc n
circuitul de for.
Astfel, la blocarea diodei (fig. 2.2) curentul devine negativ un timp redus trr, numit
timp de comutare invers, atingnd valoarea maxim negativ IRM. Aria haurat reprezint
sarcina stocat, care trebuie eliminat din jonciune.
Se menioneaz c, trri IRMnu influeneaz sensibil funcionarea C.S. i deci diodele
pot fi considerate comutatoare ideale.
n construcia C.S. se utilizeaz trei tipuri de diode:
1. Diode normale (redresoare), caracterizate prin timpi de comutare relativ
mari, cureni de pn la civa kiloamperi i tensiuni inverse de ordinul kilovolilor.
iD
uAK-VRRM
A
K
uAKiD
b)
d)
iD
uAK-VRRM
c)
a)
Fig. 2.1 Dioda: a) detalii constructive, b) simbol, c) caracteristica curent
tensiune, real, d) caracteristica curent - tensiune ideal
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
19/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE18
2. Diode Schottky, caracterizate printr-o cdere de tensiune n sens direct
mic, (~ 0.3V ) i tensiuni inverse de 50 - 100V.
3. Diode rapide (de comutaie), destinate a fi utilizate n circuitele de nalt
frecven, n combinaie cu elemente comandate i avnd timpul de comutare de ordinul s.
2.3. Tiristorul
2.3.1. Caracteristici
Tiristorul este un element comandat la intrarea n conducie, avnd trei terminale:
anodul A, catodul K i grila G (fig. 2.3).
n absena unui curent n circuitul G-K, tiristorul poate bloca, att n sens direct, ct i
n sens invers, tensiuni pn la valorile VDRM, respectiv VRRM. Curenii reziduali n stare
blocat ID, n sens direct, i respectiv, n sens invers - IR, sunt foarte mici. Depirea, chiar
pentru scurt timp, a tensiunilor maxim admisibile duce la distrugerea tiristorului. Dac
tiristorul este polarizat n sens direct, el poate intra n conducie, necesitnd injectarea n
circuitul G-K a unui curent cu att mai mare cu ct tensiunea de polarizare este mai mic. Se
remarc valoarea redus a cderii de tensiune pe tiristorul aflat n conducie (1 - 2,5V), i c,
dup intrarea n conducie, nu mai este necesar un curent de gril. La scderea curentului sub
valoarea de meninere (IH) tiristorul se blocheaz.
Caracteristica ideal (fig. 2.3.c) corespunde ipotezelor de studiu, respectiv, n stare
blocat curentul prin tiristor este nul, iar n stare de conducie cderea de tensiune pe tiristor
este nul.
Fig. 2.2Variaia curentului prin diodi a
tensiunii pe diodin timpul blocrii
trr
t
t
-Ub
uAK
iD
ID
Qrr
-VRM
-IRM
t0
t1 t2
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
20/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
19
La blocare, dup anularea curentului prin tiristor (fig. 2.4) i pn cnd acesta poate
prelua tensiune n sens direct, trebuie s treac un timp tq, numit timp de revenire.
Polarizarea n sens direct a tiristorului, dup un timp mai mic dect tq, produce
reintrarea acestuia n conducie fr impuls de comand.
2.3.2 Comanda tiristoarelor
Pentru intrarea normal n conducie a unui tiristor, trebuie ndeplinite trei condiii:
- tiristorul s fie polarizat n sens direct (uAK> 0);
iT
uAK-VRRM
d)
iT
uAK-VRRM
c)
VDRM
iG= 0
iG1> 0
iG2 > iG1
IH
VDRM
A
K
uAK
iT
b)
iG
a)
Fig. 2.3 Tiristorul: a) tipuri constructive ; b) simbol ; c)
caracteristica curent tensiune real; d) caracteristicacurent tensiune ideal.
Fig 2.4Variaiile curentului prin tiristor i a tensiuniila bornele sale, n timpul blocrii
trq
t
tuAK
iT
IT
-VRM
-IRMtq
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
21/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE20
- s i se aplice un impuls de comand pozitiv ntre G i K, avnd un nivel energetic
corespunztor;
- la dispariia impulsului de comand, curentul prin tiristor s depeasc valoarea de
acroaj (IL).
Cerinele impuse semnalului de comand sunt ilustrate de caracteristica curent-
tensiune de gril (fig. 2.5), care indic o zon n care, amorsarea tiristorului este sigur. Zona
haurat, determinat de valorile minime ale curentului i tensiunii, trebuie evitat, deoarece
amorsarea este posibil numai n anumite condiii.
n C.S. de putere, impulsul de comand nu se aplic direct pe grila tiristorului, fiind
necesare, pe de o parte, o amplificare energetic a impulsului, i pe de alta, o separare ntre
partea de comand i cea de for.
Amplificarea se realizeaz cu unul sau dou etaje de amplificare, iar separarea, cel mai
frecvent, cu ajutorul unui transformator de impuls (fig. 2.6.). Rolul rezistenei R1 este de a
limita curentul prin tranzistorul amplificator, iar diodele D1 i D2permit aplicarea pe gril,
R1
+
C
* *
D1
TI
T
A
K
D2R2
Th
Fig. 2.6 Schema de comanda unui tiristor
prin transformator de impuls
iG
uGK
IGmin
UGKmin
PGmax
Fig. 2.5 Caracteristica de
comanda unui tiristor
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
22/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
21
numai a impulsurilor pozitive (transformatorul fiind un element de derivare) i disiparea
energiei corespunztoare impulsurilor negative (pe rezistena R2).
Blocarea tiristoarelor nu este posibil prin comand direct, ci se poate obine n
urmtoarele moduri:
1. scderea natural a curentului n sens direct, sub valoarea de meninere IH;
2. devierea curentului anodic printr-o alt latur de circuit, de impedan sczut;
3. aplicarea unei tensiuni inverse pe tiristor (polarizarea n sens invers).
n convertoarele statice cu comutaie forat, cu tiristoare, se combin ultimele dou
modaliti de blocare.
Tiristoarele sunt caracterizate de un mare numr de parametri, cei mai importani
fiind: valoarea medie nominal a curentului (ITAVM), valorile maxime repetitive ale tensiunilor
n sens direct (VDRM) i respectiv invers (VRRM), panta de cretere maxim admisibil a
curentului (di/dt) i panta de cretere maxim admisibil a tensiunii reaplicate n sens direct
(du/dt).
S-au construit tiristoare normale, avnd ITAVMpn la 4000 A, iar clasa de tensiune
(VDRM, VRRM), de 5 - 7 kV, avnd cderi de tensiune n conducie de 1,5V pentru V DRM 0
iG2 > iG1
IH
VDRM
A
K
uAK
iT
b)
iG
a)
Fig. 2.8 Tiristorul cu blocare pe poart: a) detalii constructive ; b)
simbol ; c) caracteristica curent tensiune real; d) caracteristica
curent tensiune ideal
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
24/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
23
Se menioneaz necesitatea unei scheme de comand complexe. Pe lng parametrii ce
caracterizeaz un tiristor, tiristoarele GTO au o serie de parametri specifici, ce caracterizeaz,
n special, procesul de blocare:
1. Curentul anodic, maxim controlabil pe poart, n regim nerepetitiv (ITQM) este
valoarea maxim a curentului anodic care poate fi ntrerupt sigur, printr-un impuls negativ
aplicat pe gril.
2. Curentul anodic, maxim controlabil pe poart, n mod repetitiv (ITQRM) este valoarea
maxim a curentului ce poate fi ntrerupt sigur, n mod repetat. Trebuie astfel, precizat i
frecvena de comand. Datorit pierderilor n comutaie, ITQRM< ITQM(chiar de dou ori).
3. Timpul de blocare (tqq) se specific, de regul, pentru curentul anodic ITQRM, la
temperatura maxim a jonciunii i reprezint timpul care se scurge de la aplicarea impulsului
negativ pe gril, pn la blocarea ferm a elementului.
4. Sarcina stocat (Qqq) reprezint sarcina ce trebuie extras prin gril n timpul tqq.
5. Ctigul operaional n curent, la blocare,
GRM
TQRMoff I
IG
, (2.1)
este raportul dintre curentul anodic, maxim controlabil n mod repetitiv i amplitudinea
IGRMa curentului corespunztor n circuitul de gril. Acest parametru are valori cuprinse ntre
1 i 4 i ilustreaz unul din principalele dezavantaje ale tiristoarelor GTO, respectiv,
necesitatea utilizrii unui impuls de curent pentru blocare, avnd valoarea de vrf comparabil
cu valoarea curentului ce trebuie blocat.6. Valoarea critic a pantei de cretere a tensiunii reaplicate n sens direct, la stingerea
tiristorului (dVD/dt)cr.
7. Tensiunea invers maxim pe poart (VGRM) reprezint valoarea maxim absolut a
tensiunii negative ce poate fi aplicat pe gril. Are valori tipice ntre 7 si 20 V.
8. Rata critic de cretere a curentului invers pe poart (diGR/dt)cr, avnd valori uzuale
ntre 1A/s i 30 A/s.
2.4.2. Comanda tiristoarelor GTO
Cerinele circuitelor de amorsare a tiristoarelor GTO sunt similare celor aferente
tiristoarelor de construcie normal. n plus, innd seama de valoarea relativ mare a
curentului de meninere IH, este necesar meninerea unui curent n circuitul gril-catod, pe
toat durata conduciei.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
25/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE24
n ceea ce privesc cerinele de comand a blocrii, acestea trebuie s in seama de mai
multe aspecte.
1. Amplitudinea (IGRM) i durata impulsurilor negative de comand sunt superioare
valorilor tipice ale parametrilor corespunztori semnalelor de amorsare.2. Valoarea maxim a tensiunii inverse este limitat, ceea ce limiteaz, la rndu-i,
amplitudinea curentului maxim extras prin gril.
3. Rezistena intern gril-catod (RGK) "vzut" de etajul final de alimentare a porii,
i modific substanial valoarea n timpul procesului de blocare, (de la circa 10 m, la sute
de ohmi), ceea ce provoac reducerea progresiv a curentului extras prin poart, deoarece VGR
este limitat.
4. Panta de cretere a semnalului negativ aplicat pe gril, trebuie s minimizeze timpul
de blocare. Panta (diGR/dt) depinde de puterea tiristorului. Astfel, spre exemplu, dac ITQRM=
600A i Goff= 3, rezult IGRM= 200A i pstrnd aceeai pant de cretere a curentului, de
5A/s, ca i la un GTO avnd ITQRM=50A, blocarea se obine n circa 40 s, ceea ce este
inadmisibil.
Pentru a se realiza pante de cretere de 20 30 A/s, se utilizeaz surse de tensiune
constant de pn la 30 V.
ntr-un ciclu de funcionare (amorsare - blocare), curentul n circuitul gril - catod are
o variaie tipic ca n fig. 2.9 evideniindu-se urmtoarele aspecte:
- pentru amorsare se aplic pentru un timp scurt, (n vederea limitrii pierderilor), un impuls
pozitiv de curent, de amplitudine mrit IGP;
- deoarece curentul de meninere IHare valori mari, se menine, pe toat durata conduciei,
un curent de gril de valoare redus IGC. Practic, acest curent se obine aplicndu-se n
circuitul G-K o tensiune de +5V;
t
- IGR
IGCIGP
iG
Fig 2.9 Variaia curentului prin circuitul gril catod, al unui
GTO intr-un ciclu de funcionare
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
26/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
25
- n perioada blocrii, n circuitul G-K exist un curent negativ cu pant mare de cretere i de
amplitudine IGR.
O posibilitate de obinere a impulsurilor de comand, const n utilizarea
transformatoarelor de impuls.
Schema din fig. 2.10 utilizeaz transformatorul de impuls cu prize mediane, att n
primar, ct i n secundar, pentru transmiterea unui tren de impulsuri necesar amorsrii. Acest
tren de impulsuri, se obine prin comanda alternativ, cu frecvena trenului de impulsuri, a
celor dou tranzistoare MOSFET, T1 i T2, iar dioda Zener Dzpermite existena curentului
IGC. Impulsul de curent la aprindere, de amplitudine IGP este curentul de ncrcare a
condensatorului C, iar pentru blocare, se comand tiristorul T, prin care se descarc
condensatorul, obinnd astfel o pant mare de cretere a curentului, ct i amplitudinea
necesar.
2.5. Tranzistoare bipolare de putere (BPT)
2.5.1. Caracteristici
Tranzistoarele de putere funcionnd n regim de comutaie, sunt deja folosite pe scar
larg n construcia convertoarelor statice.
Caracteristicile curent tensiune (fig. 2.11.c) arat c, n absena unui curent pozitiv n
baza (B), tranzistorul este blocat, fiind parcurs de un curent foarte mic, practic nul i putnd
bloca tensiuni UCE ntr-o plaj larg. Printr-un curent de baz adecvat, se poate obine curentul
I n zona de saturaie unde, cderea de tensiune pe element (UCE(sat)) este redus (1-2V).
Fig. 2.10 Schema de comanda
GTO cu transformator de impuls
R1
+
C G
TI
T
A
K
R2
Th
-
T2
T1
+-
Dz
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
27/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE26
Curentul de baz necesar este :
(2.2)
Se subliniaz c, spre deosebire de tiristoare, curentul de baz trebuie meninut pe
toat durata conduciei, anularea sa producnd blocarea tranzistorului. Deoarece amplificarea
n curent are valori uzuale numai 5 10, tranzistoarele de putere se construiesc, de regul, n
montaj Darlington (dublu sau triplu) n acelai chip (Darlington monolitic) (fig. 2.12).
uCE
iC12
3
IB=0
iBcrot
C
E
B
iBiC
uCE
b)
c) d)
iC
uCE
a)
Fig.2.11 Tranzistorul bipolar de putere: a) detalii constructive ; b) simbol;
c) caracteristica curent - tensiune (de ieire) real; d) caracteristica curent
- tensiune (de ieire) ideal.
C
E
B
iB
a) b)
iC
T1T2
B
iB
T1T2
C
E
iC
T3
Fig. 2.12 Tranzistoare n montaj Darlington: a) dublu;
b) triplu
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
28/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
27
Tranzistoarele nu pot prelua tensiuni n sens invers, motiv pentru care, n CSP se
monteaz cu cte o diode n antiparalel. Principalii parametrii ce caracterizeaz funcionarea
unui tranzistor sunt:
1.
valoarea medie maxim a curentului de colector IC, n regim permanent;
2.
valoarea de vrf a curentului de colector ICM, n regim tranzitoriu (de regul
pentru o durat de 10ms);
3.
valoarea maxim a tensiunii colector emitor , n stare blocat, cu baz
nepolarizat (VCE0);
4.
valoarea maxim a tensiunii colector emitor, n stare blocat, cu baza
polarizat negativ (VCEX) care, este mai mare dect VCE0 i arat modalitatea de a crete
capacitatea n tensiune, a unui tranzistor. S-au construi tranzistoare avnd V CE0 pn la
1400V i ICde pn la 300A;
5.
frecvena de lucru este situat ntre 0.5 i 5kHz.
2.5.2.Comanda tranzistoarelor bipolare de putere
n convertoarele statice, tranzistoarele lucreaz ca ntreruptoare, deci trebuie s fie
astfel comandate, nct n regim staionar s se afle n una din cele dou stri : saturaie sau
blocare. Trebuie s se in seama de trei aspecte:
1. Comanda trebuie astfel aplicat nct tranzistorul s fie n saturaie, pentru un
curent de colector suficient de mare. n acelai timp, suprasaturarea sa produce, pe lng
scderea cderii de tensiune, creterea timpului de blocare i deci, cnd se lucreaz lafrecvene ridicate, curentul de baz trebuie s se modifice continuu, n funcie de curentul de
sarcin;
2.
n perioada de intrare n conducie, panta de cretere a curentului de baz este
foarte mare i poate conduce la depirea valorii de saturare pentru durate scrute, de 2 3s
(IB 2IBsat), (fig 2.13);
3.
n perioada de blocare, forma de und a curentului de baz, trebuie s permit
anularea, practic instantanee, a curentului colector emitor.
Timpul de blocare poate fi minimizat printr-o pant negativ a curentului de baz,foarte mare (n valoare absolut) i anularea simultan a curentului de baz i colector. n
acest caz, rezult ns un curent de baz, negativ, foarte mare, de ordinul curentului colector
emitor. Au loc totodat i alte fenomene (jonciunea colector emitor se polarizeaz invers)
ce pot distruge tranzistorul.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
29/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE28
O comand care rspunde acestor exigene este ilustrat n fig. 2.14. Dioda D 1 are
rolul de a limita suprasaturarea tranzistorului limitnd curentul de baz la valori de maxim
2IBsat n regim tranzitoriu i la IBsat n regim de conducie i de a mpiedica polarizarea
negativ a jonciunii B C. Dioda D2 permite, mpreun cu D1, meninerea, n stare de
conducie, a relaiei UCE UBE
Adaptarea curentului de baz la valoarea curentului de sarcin, astfel nct tranzistorul
s nu se suprasatureze, se explic scriind expresia tensiunii de polarizeaz dioda D1, din
Fig. 2.13 Formele de und, la comanda corecta a unui tranzistor de putere
T
R1
+
C1
D1T1
D2
R2
T2
DAS
-
L
B12
B
C
E
Fig. 2.14 Comanda tranzistoarelor de putere, cuforarea blocrii i diode antisaturaie
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
30/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
29
ecuaia de echilibru a tensiunilor
Astfel, cnd tranzistorul are tendina de a intra n saturaie, tensiunea colector emitor
scade sub tensiunea
dioda D1se polariseaz n sens direct, iar o parte a curentului de comand este derivat princolector, ceea ce conduce la scderea curentului de baz. Acest lucru se ntmpl atunci cnd
curentul de sarcin este mai mic dect valoare maxim corespunztoare curentului de
comand maxim. Dac D1este in conducie,
i deci,
Forarea blocrii se realizeaz cu o surs de tensiune negativ, cu rezistena intern mic.
Limitarea pante i de scdere a curentului de baz se obine cu inductivitatea L. Evident,
dioda D3permite existena curentului de baz negativ.
2.6. Tranzistoare cu efect de cmp, de putere (MOSFET de
putere)
2.6.1. Introducere
Tranzistoarele de tip metal-oxid-semiconductor, cu efect de cmp (MOSFET), cu mare
capacitate n curent n stare de conducie i mare capacitate n tensiune n stare blocat, i
implicit utilizarea lor n electronica de putere, s-au dezvoltat ncepnd din anii 1980. Ele au
nlocuit BPT, n special, n domeniul frecvenelor nalte.
2.6.2. Structura de baz
Un MOSFET de putere are o structur compus din patru straturi orientate vertical,
straturi ce alterneaz, fiind dopate cu purttori "p" i respectiv "n". Structura n+pn-n+ este
numit n sens larg,MOSFET cu canal n. Poate fi fabricat o structur cu dopare invers i se
numeteMOSFET cu canal p. Tehnologia de realizare a MOSFET cu canal n este mai simpli, din acest motiv, acestea se folosesc n exclusivitate n electronica de putere.
Simbolul MOSFET-ului cu canal n, este reprezentat n fig. 2.15.b. Ca i BPT,
MOSFET-ul are trei terminale: D (dren), S (surs) - terminale de for i G (gril sau poart)
- terminal de comand. Uzual, sursa este un terminal comun pentru for i comand.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
31/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE30
2.6.3. Caracteristici
Caracteristicile de ieire, curent de dren n funcie de tensiunea dren-surs, cu
tensiunea gril-surs ca parametru, sunt artate n fig. 2.15.c,d pentru MOSFET-ul cu canal n.
Pentru MOSFET-ul cu canal p, caracteristicile de ieire sunt similare dar, pentru c att
curentul de dren ct i tensiunea dren-surs i schimb polaritatea, ele se vor gsi n
cadranul III al planului ID - UDS. n convertoarele statice, MOSFET-urile sunt folosite cantreruptoare comandate, pentru a regla puterea transmis sarcinii.
MOSFET-ul este n stare de blocare dac tensiunea gril-surs este inferioar valorii de
prag UGS(th)i n stare de conducie dac tensiunea gril-surs este suficient de mare.
Pentru a rmne n conducie, MOSFET necesit aplicarea continu pe gril a unei
tensiuni. Curentul de gril este practic nul, cu excepia timpilor de comutaie din stare de
blocare n stare de conducie i invers, cnd capacitatea parazit gril-surs se ncarc i
respectiv, se descarc.
Timpii de comutaie sunt foarte mici, de ordinul sutelor de ns, n funcie de tipul
elementului.
Rezistena dren-surs n stare de conducie (rDS(on)), crete rapid cu tensiunea maxim
de blocare. Rezistena pe unitatea de suprafa, poate fi exprimat prin:
uDSuGS< uGS(th)
uGS1
uGS2
uGS3
uGS4iD
UGS
UDSM
c)
uDS
iD
UDSM
d)
iD
uDS
uGS
b)G
D
S
a)
Fig. 2.15 Tranzistorul MOSFET cu canal N: a) detalii constructive ; b) simbol;
c) caracteristica curent - tensiune (de ieire) real; d) caracteristica curent - tensiune (de
ieire) ideal.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
32/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
31
rDS(on)= k UDSM2.5 .. 2.7, (2.3)
unde k este o constant ce depinde de geometria elementului.
Din aceast cauz, cu creterea clasei de tensiune rezult i creterea pierderilor n
conducie. Oricum, funcionnd la frecvene de comutaie nalte, pierderile n conducie au
pondere redus. Din acelai motiv, nlocuirea BPT cu MOSFET, este indicat la frecvene de
peste 30100 kHz.
MOSFET- urile sunt disponibile la tensiuni de lucru de peste 1000 V la cureni mici
(10 20 A), i la tensiuni reduse (cteva sute de V), la cureni de peste 100 A. Tensiunea
maxim de comand (gril-surs), este de 20 V cu toate c MOSFET-urile pot fi comandate
cu semnal de 5V.
MOSFET-urile pot fi conectate simplu n paralel, deoarece rezistena dren-surs are
coeficient pozitiv de variaie cu temperatura.
2.6.4. Valori limit absolut
MOSFET-urile au dou valori de tensiuni care nu pot fi depite i anume:
- UDSM- tensiunea dren-surs maxim admisibil;
- UGSM- tensiunea gril surs maxim admisibil.
Dei, teoretic, MOSFET -urile pot suporta tensiuni gril-surs de 50100 V, valorile
tipice pentru UGSM sunt de 2030 V. Pentru protecia la supratensiunile tranzitorii ce pot
apare, ntre G i S se conecteaz n serie, invers, dou diode zener a cror tensiune de prag
trebuie s fie inferioar valorii UGSM.
Domeniul frecvenelor de lucru este cuprins ntre 5 i 100 kHz.
2.6.5. Comanda MOSFET
Vitezele de variaie ale curentului i tensiunii dren-surs sunt dependente de curentul
din circuitul gril-surs, n perioadele de ncrcare i descrcare ale capacitii parazite. La
rndul lui, curentul prin capacitatea parazit, la ncrcare i descrcare, depinde de tensiunea
aplicat n circuitul de comand.Avantajul unor comutaii rapide const n reducerea pierderilor de comutaie, dar o
comutaie rapid determin un nivel mare al zgomotelor electromagnetice i apariia unor
supratensiuni n inductivitile nseriate cu elementul, rezultnd astfel, necesitatea unui
compromis.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
33/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE32
De reinut c, pentru o comutaie suficient de rapid, curentul de gril poate lua valori
de vrf de ordinul 1A sau mai mult.
Semnalul de comand se obine de la un circuit logic sau de la un P, dar acest semnal
nu poate fi folosit direct pentru comanda MOSFET, deoarece nu poate asigura curentul
necesar. Rezult astfel c, ntre circuitul logic i MOSFET se interpune un circuit de
amplificare. Un circuit de comand simplu, ce poate fi utilizat la frecvene de comutaie
reduse, este artat n fig. 2.16.
Cnd tranzistorul de ieire al comparatorului este n conducie, n circuitul G-S al
MOSFET se aplic cderea de tensiune pe tranzistor, care este inferioar valorii de prag
UGS(th) i deci MOSFET-ul este blocat. n acest timp, sursa V+ este pus la mas prin
rezistena R1, care trebuie s fie mai mare pentru a limita pierderile.
Cnd tranzistorul de ieire al comparatorului este blocat, tensiunea V+ se aplic n
circuitul G-S prin rezistenele R1, R2, n serie. n acest fel, curentul de gril este mic i deci
timpul de amorsare este mare.
La blocare, schema nu permite existena curentului de gril negativ (descrcarea
capacitii parazite gril- surs) i timpul de blocare este, de asemenea, mare.
Reducerea timpului de blocare se poate obine prin crearea unui circuit de descrcare a
capacitii parazite gril-surs (fig. 2.17).
Pe lng posibilitatea de descrcare a capacitii parazite gril-surs prin tranzistorul
pnp T2, curentul de gril maxim al MOSFET este limitat numai de R2, dimensionat numai
Fig. 2.16 Circuit pentru comanda MOSFET, la frecvene reduse.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
34/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
33
n funcie de valoarea dorit a curentului de gril. Rezult astfel, posibilitatea obinerii unor
timpi de comutaie redui.
Schema poate fi transformat astfel nct s permit aplicarea unei tensiuni negative n
circuitul gril-surs, pe durata blocrii (fig. 2.18).
Fig. 2.17 Circuit de comanda MOSFET pentru
reducerea timpului de blocare
Fig. 2.18 Circuit de comanda MOSFET,
cu polarizarea inversa circuitului G S, pe durata blocrii
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
35/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE34
2.7. Tranzistoare bipolare cu baz izolat (IGBT)
2.7.1. Introducere
BPT i MOSFET au caracteristici complementare n cteva direcii. Astfel, BPT au
pierderi reduse n conducie, la tensiuni de blocare mari, dar au timpi de comutaie mari, nspecial la blocare.
MOSFET au timpi de comutaie redui, dar pierderile n conducie sunt mari.
De aici, ideea combinrii monolitice a BPT i MOSFET i apariia unui nou element - IGBT.
2.7.2. Structura de baz
Ca i MOSFET, IGBT prezint o structur orientat vertical dar, spre deosebire de
acesta, s-a adugat un nou stratp+. Deci, un IGBT este derivat dintr-un MOSFET cu canal n
i are o structur n+pn-n+p+. Stratul adugatp+constituie drena IGBT-ului.
Densitatea de dopare a stratului n+, vecin drenei, influeneaz direct capacitatea de
blocare n sens direct i respectiv timpul de blocare.
Cel mai utilizat simbol n literatura de specialitate pentru IGBT este reprezentat n
figura 2.19.b.
c)
a)
iC
uCE
uGE
b)G
C
E
G
C
E
Fig. 2.19 Tranzistorul bipolar cu poartizolat:
a) detalii constructive; b) simbol ; c) schema echivalent
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
36/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
35
2.7.3. Caracteristici
Caracteristicile de ieire (real i ideal), curent de dren n funcie de tensiunea
dren-surs, cu tensiunea gril-surs ca parametru, sunt artate n fig. 2.20, pentru un IGBT
cu canal n.
La polarizarea n sens direct, IGBT este blocat dac tensiunea gril-surs este
inferioar valorii de prag UGS(th). Pentru tensiuni gril-surs superioare valorii UGS(th), IGBT se
comport, n zona activ, ca o surs de curent. n CS, IGBT funcioneaz n regim de
comutaie, deci punctul de funcionare trebuie s se gseasc pe poriunea liniar-cresctoare a
caracteristicilor, unde cderea de tensiune este redus i variaz puin n funcie de curent. La
polarizarea n sens invers, cu tensiuni mai mici, n modul, dect URM, IGBT este blocat.
Dac tensiunea de polarizare n sens direct depete valoarea maxim admisibil
UDSM, curentul dren-surs crete necontrolabil, indiferent de valoarea tensiunii gril-surs,fenomenul putnd produce distrugerea termic a elementului.
Este semnificativ de remarcat c, IGBT mbin avantajele GTO (capacitate de blocare
n sens invers), ale BPT (cdere de tensiune mic, n conducie) i ale MOSFET (comand n
tensiune i frecven de comand ridicat).
3.2.1.
Valori limit absolut
Ca i MOSFET-urile, tranzistoarele cu baz izolat au ca valoare limit absolut
tensiunea maxim de polarizare n sens direct - UDSM, tensiunea maxim n circuitul gril-
surs - UGSM, i curentul maxim IDM. n plus, deoarece IGBT poate prelua tensiuni n sens
invers, exist i parametrul URM- tensiunea invers, maxim admisibil.
Fig. 2.20 Caracteristicile externe ale IGBT cu canal n:
a) reale; b) ideale.
uCEuGE< uGE(th)
uGE1
uGE2
uGE3
uGE4iC
uGEcr
ot
UCEMa)
uCE
iC
b)
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
37/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE36
De asemenea, IGBT-urile au limitat panta de variaie a tensiunii n sens direct.
Timpul de comutaie este de ordinul 1 4 s iar frecvenele de lucru ntre 2 - 20 kHz.
n prezent se comercializeaz IGBT avnd UDSMde pn la 1800 V i cureni IDMde pn la
200 A.
2.2.4. Comanda IGBT
Necesitile de comand ale IGBT sunt similare cu cele ale MOSFET, putnd fi
utilizate circuite similare. Dac este necesar un curent de gril mare, poate fi utilizat circuitul
de mai jos (fig. 2.21).
Pentru a separa partea de comand de cea de for se utilizeaz optocuplorul OC.
Tranzistorul optocuplorului constituie etajul pilot al preamplificatorului n contratimp format
din tranzistoarele T1i T2.
n momentul aplicrii semnalului de comand (semnal logic 0) la intrarea OC,tranzistorul pilot se blocheaz, iar pe bazele tranzistoarelor prefinale se aplic tensiunea sursei
de alimentare prin rezistena R1.
n consecin, tranzistorul T2va fi blocat iar T1saturat. Capacitatea poart surs a
tranzistorului final (IGBT) se va incrca prin rezistena R2. Constanta de tip a circuitului RC
format este dependent de capacitatea de inatrare a IGBT si R2(= R2Cin).
Timpul de intrare n conducie al tranzistorului, deci pierderile de comutaie i
interferena electromagnetic produs, pot fi astfel stabilite din R2.
R1
+
T1
OCcT2
R2
0
Fig.2.21 Schema de principiu a circuitului de comanda
unui IGBT de putere
iC
uCE
uGE
G
C
E
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
38/236
2. Elemente semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
37
Pentru blocarea tranzistorului de putere, la intrarea OC se aplic semnal logic 1,
tranzistorul pilot intr n saturaie, tensiunea pe bazele tranzistoarelor prefinale devine zero
(uCesat0), T1 se va bloca iar T2 se va satura. Capacitatea tranzistorului de putere se va
descrca prin R2i T2, iar acesta se va bloca in timpul dat de constanta de timp = R2Cin.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
39/236
2. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
38
3. ALEGEREA I VERIFICAREA
ELEMENTELOR SEMICONDUCTOARE DE
PUTERE
3.1. Pierderile n elementele semiconductoare de putere
3.1.1. Pierderile n tiristoare
Pierderile totale Pt care se degaj ntr-un tiristor i contribuie la nclzirea
acestuia, se obin prin nsumarea mai multor componente:
GSQRQTTTDRt PPPPPPPP (3.1)
ale cror semnificaii se prezint n continuare.- PR- pierderi datorate curentului rezidual, n sens invers, n stare blocat;
- PD- pierderi datorate curentului rezidual, n sens direct, n stare blocat;
- PT - pierderi datorate curentului de conducie (pierderi de conducie); n cazul
tiristoarelor lente, acestea au ponderea cea mai mare n pierderile totale, existnd dou
modaliti de calcul:
- din grafice adecvate, aferente fiecrui tiristor, (fig. 3.1), care indic
dependena pierderilor n conducie, n funcie de valoarea medie a curentului
prin tiristor - ITAV, unghiul de conducie ntr-o perioad -i forma de und -
fua curentului, care poate fi sinusoidal sau dreptunghiular,
PT= (ITAV, , fu) (3.2)
0
100
200
300
400
100 200 300 400
T
PT[W]
ITAV [A]
9060
120 180
= 30
Fig. 3.1 Pierderile n conducie
pentru tiristorul N200T03, fabricat
de IPRS Bneasa
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
40/236
3. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
39
- analitic, pe baza relaiei
22TAVtTAVT0T FIrIP (3.3)
n care,
vt0- cderea de tensiune pe tiristorul aflat n conducie, corespunztoare
temperaturii maxime a jonciunii - Tjmax;
rt- rezistena ohmic a tiristorului aflat n conducie;
F - factorul de form, reprezentnd raportul dintre valorile efectiv i
medie, ale curentului prin tiristor;
- PTT- pierderi datorate procesului de comutaie, care sunt mici n cazul tiristoarelor
lente, dar au ponderea cea mai mare, n cazul tiristoarelor rapide, ce lucreaz la frecvene de
comutaie mari. Cataloagele indic grafice reprezentnd energia total pe impuls de curent n
funcie de vrful Imaxal impulsului de curent, i de durata acestuia (fig. 3.2), pentru calculul
pierderilor totale prin tiristoarele rapide,Wt= (Imax, ) (3.4)
apoi, pierderile totale se obin ca produs al energiei totale cu frecvena de comand fc,
Pt= Wtfc (3.5)
- PRQ- pierderi datorate procesului de amorsare;
- PSQ- pierderi datorate procesului de blocare;
- PG- pierderi datorate curentului de comand.
Pierderile PR i PD au valori foarte mici, datorit valorilor foarte mici ale curenilor
reziduali, i se pot neglija.
102
103
104
10-2 10
-11 10
4 8 2 4 6 2 4
4
6
2
4
6Wt = 2J
0.6J0.4J0.2J0.1J
0.06J
0.04J0.02J
1J
I max[A]
t[ms2
8
Fig. 3.2 Variaia energiei totale pentru impuls sinusoidal de
curent, n funcie de amplitudinea i durata acestuia, pentrutiristorul rapid T290F03, fabricat de IPRS
Bneasa
6
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
41/236
2. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
40
Observnd c, pentru tiristoarele rapide se determin grafic pierderile totale, se
menioneaz c, pentru tiristoarele lente se determin pierderile n conducie, iar celelalte
se aproximeaz la 10% din acestea, respectiv,
Pt= 1,1PT. (3.6)
3.1.2. Consideraii privind pierderile n elementele semiconductoare
complet comandate
Elementele semiconductoare comandate lucreaz, de regul, la frecvene ridicate i,
datorit fenomenelor complexe legate de intrarea i respectiv ieirea din conducie, calculul
exact al pierderilor este practic imposibil, acestea depinznd de foarte multe mrimi care, la
rndul lor, sunt dependente de parametrii circuitului n care este montat elementul
semiconductor.
O estimare a pierderilor (i evidenierea principalelor componente) se poate faceconsidernd un circuit simplu (fig. 3.3), care utilizeaz sursa de c.c. avnd tensiunea Ud, ce
alimenteaz sarcina S, cu caracter R, L, C. Dioda ideala D, asigur existena curentului prin
sarcin, cnd elementul semiconductor T, presupus de asemenea ideal, este deschis.
Se va considera c, procesul de amorsare se declaneaz la trecerea semnalului de
comand ucpe nivel sus, iar cel de dezamorsare, la trecerea semnalului de comand pe nivel
jos (fig. 3.4a).
Cnd elementul semiconductor este blocat (deschis), curentul ce l strbate este nul, iar
tensiunea ce l polarizeaz este tensiunea sursei Ud, iar cnd se afla n conducie (nchis) este
parcurs de curentul Id, pe el cznd tensiunea vT. S-a considerat, pentru simplificare, c att la
amorsare ct si la dezamorsare, curentul i tensiunea au variaii liniare.
Dup aplicarea semnalului pozitiv de comand, creterea curentului prin element are
loc dup un timp scurt, numit timp de ntrziere la amorsare tda.
+
-
Ud
T
S D
iT
uT
Id
Fig. 3.3. Schema de principiu , pentru evidenierea pierderilor,
n elementele semiconductoare complet comandate
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
42/236
3. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
41
Tensiunea pe element se menine Ud, pn cnd curentul crete la valoarea de regim
staionar Id, respectiv pe durata tci, iar scderea tensiunii la valoarea vTare loc n timpul tsv.
Rezult, neglijnd ntrzierea la amorsare, timpul total de comutaie la amorsare tca,
. (3.7)
Energia corespunztoare procesului de amorsare (Wa) este aproximativ egal cu aria
triunghiului avnd baza tcai nlimea UdId, (fig. 3.4c), respectiv,
. (3.8)
La trecerea semnalului de comand la valoarea negativ, fenomenele sunt similare,
evideiindu-se timpul de ntrziere la dezamorsare tdd, timpul de cretere a tensiunii peelement tcvi timpul de scdere a curentului tsi, iar timpul de comutaie la dezamorsare tcd
va fi
. (3.9)
Energia disipat n element, n timpul procesului de dezamorsare este
(3.10)
Pe durata conduciei, elementul semiconductor fiind parcurs de curentul constant Id ,
iar cderea de tensiune fiind asemenea constant, rezult energia disipat n stare de
conducie,
. (3.11)
Rezult astfel, energia total corespunztoare unui ciclu de comad,
, (3.12)
ucTc
tc t
t
uT
iT
iTUdId vT
PtUdId
vTIdtca
uT
t
t
tcd
tda tci tdu tdd tcu tdi
Fig. 3.3. Formele de undideale:a) ale semnalului de
comand; b) curentului i tensiunii; c) i pierderilor
pentru un ciclu complet de funcionare, a unui element
semiconductor complet comandat
a)
b)
c)
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
43/236
2. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
42
i respectiv, pierderilor totale medii,
, (3.13)
f fiind frecvena de comand.
Pentru un element i o sarcin date (Ud, Id, tca, tcd si vt sunt constante), ponderea
energiei disipate n conducie scade cu creterea frecvenei de comand i deci, la frecvene
ridicate, sunt dominate pierderilor la amorsare i blocare. Pentru reducerea acestora, trebuie
redus amplitudinea pierderilor aferente acestor regimuri, ceea ce se poate obine dac
tensiunea i curentul nu au, simultan, valori mari. n vederea obinerii acestui obiectiv, se
prevd circuite de protecie care au urmtoarele efecte:
- reducerea vitezei de cretere a curentului i creterea vitezei de scdere a tensiunii pe
element, la amorsare;
- accelerarea procesului de anulare a curentului i reducerea vitezei de cretere a
tensiunii, la blocare.
Se menioneaz c, firmele constructoare indic grafice adecvate pentru cele trei
componente ale energiei disipate, respectiv, dependena acestora de o serie de ali parametri
(curentul de sarcin Id, caracteristicile semnalului de comand, valorile elementelor de
protecie aferente).
Referindu-se la tiristoarele GTO fabricate de firma MARCONI, n fig. 3.5 3.6, se
indic cteva grafice, pe baza crora, se pot calcula componentele energiei disipate,
evideniindu-se urmtoarele aspecte:
- pierderile n conducie depind att de valoarea medie a curentului prin tiristor, de
forma de und, ct i de valoarea curentului de gril, de meninere IGC;
Tj=125 IGP=20AC=1,5 F R=7
Wa[mJ]
IT[A]600500300100
VD=400V
0
50
100
150
VD=600V
VD=900V
Fig. 3.5.Grafice pentru determinarea energiei pierdute,n timpul amorsrii, pentru tiristorul GTO DGT304SE,
ITQM=700A, VDRM=1300V
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
44/236
3. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
43
- energia de amorsare, depinde de valoarea tensiunii continue UD, de temperatura
jonciunii, de valoarea de vrf a curentului de gril IGP, i de valorile C, R al grupului de
protectie aferent;
- energia la dezamorsare, depinde de valoarea de vrf a impulsului de curent, de
valoarea tensiunii continue, de temperatura jonctiunii, de panta de variaie a curentului de
gril i de valorile grupului de protecie.
3.2.Alegerea elementelor semiconductoare de putere
Dup stabilirea tipului de element semiconductor, n funcie de tipul convertorului n
care acesta va funciona, alegerea sa se va face, n principiu, pe baza solicitrilor n tensiune i
curent, respectiv:
1. Valoarea de vrf a tensiunii ce solicit elementul respectiv n stare blocat, n sens
direct i, eventual, n sens invers. Se menioneaz c, elementele utilizate n construcia
invertoarelor cu caracter de surs de tensiune, necesit montarea, n antiparalel cu ele, a unor
diode pentru preluarea curenilor inveri, astfel c, aceste elemente nu sunt solicitate la
tensiuni n sens invers. n acelai timp, pentru a se ine seama de supratensiunile de comutaie,
se adopt un coeficient de siguran de 2 - 2,5.
2. Valoarea medie pe o perioad, a curentului ce parcurge elementul n timpul
funcionrii. Valoarea medie nominal (de catalog), a unui element semiconductor este
indicat n condiiile utilizrii ventilaiei forate, iar dac se utilizeaz ventilaia natural, se
300100 500 600
300
200
100
Tj=125 C diGR/dt=15A/ s
C=1,5 F
Wd[mJ]
IT[A]
VD=400V
VD=600V
VD=750V
VD=900V
Fig. 3.6.Grafice pentru determinarea energiei pierdute,
n timpul dezamorsrii, pentru tiristorul GTO
DGT304SE, ITQM=700A, VDRM=1300V
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
45/236
2. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
44
ine seama c elementul respectiv nu poate fi solicitat dect pn la 0,3 - 0,4 din capacitatea
nominal. Alegerea tipului de ventilaie se face din considerente economice.
Evident, valorile reale ce solicit elementul trebuie s fie mai mici dect cele
corespunzatoare datelor din catalog, respectiv trebuie ndeplinite relaiile:
ksiIdN Icat
ksuUbUcat (3.14)
unde, mrimile din membrul stng al inegalitilor corespund circuitului n care este montat
elementul, iar cele din membrul drept sunt date de catalog.
Semnificaiile acestora sunt:
ksu= 1 - 2,5 - coeficient de siguran n tensiune;
Vct - valoarea maxim admisibil a tensiunii ce poate solicita, n mod repetitiv,
elementul aflat n stare blocat;
Ub- valoarea maxim a tensiunii, ce solicit elementul, n stare blocat;
ksi- coeficient de siguran n curent.
1ksi pentru ventilaie forat
35,2ksi pentru ventilaie natural
IdN- valoarea medie nominal a curentului prin element;
Ict- valoarea medie nominal (de catalog) a curentului prin element.
3.2.1.Verificarea elementelor semiconductoare, la nclzire
Aceast verificare are drept scop asigurarea c, n condiiile concrete de mediu i de
ventilaie n care lucreaz elementul, nu se depete valoarea maxim admisibil a
temperaturii jonciunii. n general, este necesar verificarea la nclzire, att n regim
staionar, (valoarea medie a curentului prin element este presupus constant), ct i n regim
intermintent (valoarea medie a curentului prin element este variabil).
3.2.1.1. Verificarea la nclzire n regim staionarOrice element semiconductor de putere se monteaz pe un radiator, schema termic
echivalent a ansamblului (fig. 3.7), evideniind mrimile:
Tj- temperatura jonciunii;
Tc- temperatura capsulei;
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
46/236
3. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
45
Tr- temperatura radiatorului;
Ta- temperatura mediului ambiant (a fluidului de rcire);
Rthj-c- rezistena termic jonciune - capsul, care este o dat de catalog a elementului;
Rthc-r- rezistena termic capsul - radiator, care este o rezisten de contact, depinznd
de calitatea suprafeelor n contact, (a capsulei i a radiatorului) i de fora de strngere;Rthr-a - rezistena termic radiator - mediu ambiant, ce depinde de suprafaa i tipul
radiatorului i de natura, debitul i viteza fluidului de rcire. Firmele constructoare indic,
pentru un anumit tip de capsul, valoarea maxim a rezistenei termice capsul- radiator, cu
respectarea anumitor condiii de montare.
Unele firme indic direct rezistena termic capsul - mediu ambiant, caracteristic
unui radiator. Observnd (fig. 3.7) c toate rezistenele termice sunt conectate n serie,
temperatura jonciunii este dat de:
athrrthccthjtj RRRPTaT (3.15)
Relaia de mai sus poate fi utilizat n dou scopuri, dup cum, s-a ales sau nu, radiatorul.
a) Pentru calculul temperaturii jonciunii, dac s-a ales corpul de rcire (radiatorul),
corespunztor tipului capsulei tiristorului utilizat. Elementul este verificat, dac valoarea
calculat a temperaturii jonciunii este mai mic dect valoarea maxim admisibil (indicat n
catalog)
jadmj TT (3.16)
b) Pentru calculul valorii maxime a rezistenei termice radiator-ambiant i, pe aceast
baz, se alege sau se dimensioneaz radiatorul, respectiv, punnd condiia (3.16) n (3.15) se
obine:
Rthj-c
Rthr-a
Tj
Tc
Ta
Pt~
TrRthc-r
Fig.3.7 Schema termicechivalentn regim
staionar, a circuitului de rcire al unui element
semiconductor de putere
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
47/236
2. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
46
rthccthjt
ajadmathr RR
P
TTR
(3.17)
Se menioneaz c, n cazul tiristoarelor, rezistena termic jonciune - capsul se
indic n catalog pentru funcionare n c.c., iar n cazul conduciei intermitente, aceast
valoare se majoreaz cu cantitatea , determinat grafic, n funcie de unghiul de conducie.
Pe baza valorii obinute conform relaiei (3.17), se poate dimensiona radiatorul pe
dou ci:
b1) se alege un corp de rcire corespunztor cu tipul capsulei (forma constructiv) a
elementului;
b2) se alege un profil de radiator, de asemenea corespunztor cu tipul capsulei
elementului, i din grafice adecvate, se determin lungimea necesar, ca funcie de
rezistena termic radiator-mbiant calculat, i de condiiile de rcire.
3.2.1.2. Verificarea la nclzire n regim intermitent
3.2.1.2.1. Cazul unui puls dreptunghiular
Datorit sarcinii, elementele semiconductoare pot fi parcurse de curent variabil, (n
cazul funcionrii cu impulsuri de curent cu frecven mare, elementele se afl n regim termic
intermitent, chiar dac amplitudinea impulsurilor este constant), situaie n care, temperatura
jonciunii se modific continuu n jurul valorii medii. Asimilnd variaia curentului prin
element cu o variaie treapt (fig. 3.8), la apariia unei suprasarcini, temperatura jonciunii
crete aproximativ exponenial.
Semnificaiile mrimilor ce intervin n fig. 3.8 sunt:
Id2 valoarea medie de suprasarcin (maxim), a curentului prin element;
t
t
P
Pt1
Tjmax
Id2
Id1
Id
Tj
Pt2
t1 t2
Figure 3.8. Variaia temperaturii jonciunii, la o
variaie treapta curentului printr-un tiristor
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
48/236
3. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
47
t2 timpul ct se menine suprasarcina;
Pt2 pierderile totale corespunztoare curentului Id2;
Id1 valoarea medie a curentului prin element, nainte de apariia suprasarcinii;
t1 timpul ct curentul este Id1;
Pt1 pierderile totale corespunztoare curentului Id1;
La funcionarea n regim intermitent, n schema termic echivalent (fig. 3.7) apar i
capaciti termice, astfel nct, se obine o schem n care, rezistenele termice sunt nlocuite
cu impedane termice tranzitorii, cu excepia rezistenei termice de contact capsul radiator,
unde nu se poate nmagazina cldur.
Variaia tipic a unei impedane termice se indic n fig. 3.9, observndu-se c,
valoarea de regim staionar a acesteia este tocmai rezistena termic i c, aceasta se atinge
dup un timp ts. Astfel, variaia n timp a temperaturii jonciunii este dat de:
athrrthccthjtmt2athjmtaj ZRZPPRPTT (3.18) n
care Ptmeste media pierderilor,
21
2t21t1tm tt
tPtPP
, (3.19)
iar Rthj-aeste rezistena termic jonciune ambiant, obinut ca sum a tuturor rezistenelor.
Cataloagele indic, pentru un corp de rcire, variaia impedanei termice capsul
mediu ambiant,
athrrthcathc ZRZ (3.20)
Evident, valoarea maxim a temperaturii jonciunii se obine la momentul t2 deci,nlocuind n relaia (3.18) valorile impedanelor corespunztoare timpului t2.
Elementul semiconductor este verificat la nclzire n regim intermitent dac:
jadm2jjmax TtTT (3.21)
t
Rth
ts
Zth
Fig. 3.9 Variaia unei impedane
termice, n funcie de timp
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
49/236
2. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
48
Dac nu se dispune de variaia n timp a impedanei termice a radiatorului, se poate
lucra acoperitor, cu rezistena termic, sau, se calculeaz temperatura maxim a jonciunii cu
relaia:
cthjtmt2cthjtmcmaxjmax ZPPRPTT (3.22)
unde, Tcmaxse determin din grafice adecvate, n funcie de curentul Id2.
Obs. Impedana termic tranzitorie (fig. 3.9) atinge valoarea rezistenei termice
(valoarea de regim staionar), dup un timp ts, astfel c, dac timpul ct dureaz suprasarcina
este mai mare dect acesta,
s2 tt
curentul Id2 nu mai constituie, din punct de vedere termic, un regim intermitent i, elementul
semiconductor trebuie ales n funcie de acest curent, respectiv, n relaiile (3.14) se va
considera n locul curentului IdN, curentul Id2.Referitor la relaia de mai sus,
ts = max{ts1,ts2}
unde, ts1i ts2corespund impedanelor Zthj-ci Zthr-a.
3.2.1.2.2. Cazul mai multor pulsuri dreptunghiulare
Dac, prin elementul semiconductor, curentul este o succesiune de pulsuri
dreptunghiulare, i pierderile aferente variaz similar (fig. 3.10.a). Cu notaiile din fig. 3.10.a
temperatura jonciunii elementului se obine cu relaia: )ZZ(P)ZZ(P)ZZ(PTT 5t6t33t4t21t2t1aj (3.23)
n care Ztksunt impedanele termice tranzitorii, la momentele de timp tk.
P
t
P1P2 P3
t1 t2 t3 t4 t5 t6
P
tt1 t2 t3 t4
a) b)
Fig. 3.10 Variaia, n timp, a pierderilor printr-un elementsemiconductor parcurs de un tren de pulsuri dreptunghiulare, de
curent : a) oarecare ; b) periodice i de amplitudini egale
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
50/236
3. Alegerea i verificarea elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
49
n plus, dac pulsurile au amplitudini egale i sunt periodice (fig. 3.10.b),
temperatura jonciunii se poate calcula, acoperitor, considernd creterea temperaturii datorat
numai ultimelor dou pulsuri, respectiv:
)ZZ(P)ZZ(P)ZR(PTT 3t4t1t2t4tathjtmaj (3.24)
n relaia de mai sus,13
12
tm tt
ttPP
sunt pierderile medii, pe o perioad.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
51/236
4. Protecia elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
50
4. PROTECIA ELEMENTELOR
SEMICONDUCTOARE DE PUTERE
n general, elementele semiconductoare utilizate n construcia convertoarelor statice,
trebuiesc protejate la scurtcircuit i la pantele de variaie ale curentului i tensiunii.
Comune tuturor elementelor, sunt supratensiunile datorate fenomenului de comutaie,
iar n cazul convertoarelor conectate la reeaua de c.a. (redresoare, cicloconvertoare, VTA),
apar suplimentar i supratensiuni provenite din reea.
Fenomenul de comutaie prezint particulariti n funcie de tipul elementului. Astfel,
calculul proteciilor va fi analizat individual sau pe grupe de elemente.
Protecia la scurtcircuit se realizeaz cu sigurane fuzibile ultrarapide, pentru tiristoare,
sau prin controlul direct al curentului, pentru tranzistoare. n ultimul timp, n special pentru
tranzistoare, firmele constructoare livreaz module compacte, care nglobeaz circuitul de
comand cu separare optic (driver) i circuitul de protecie la supratensiuni de comutaie
(snubber).
4.1.
Protecia tiristoarelor la supratensiunidecomutaie
Indiferent de convertorul n care se utilizeaz, tiristoarele sunt solicitate la
supratensiuni datorate procesului de comutaie.
Supratensiunile de comutaie apar n procesul tranzitoriu de blocare, iar pentru
reducerea supratensiunilor, ca i a pantei de cretere a tensiunii de polarizare n sens direct, n
paralel cu fiecare tiristor se monteaz un grup serie RC (fig. 4.1).
Se presupune c, anularea curentului are loc prin polarizarea tiristorului n sens invers,
cu o tensiune de valoare Ub. Dac tensiunea de polarizare este variabil n timp, se considercazul cel mai defavorabil, cnd comanda de blocare se d la valoarea maxim a tensiunii.
Schema echivalent n timpul comutaiei (fig. 4.2), evideniaz inductivitatea de
comutaie Lk.
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
52/236
4. Protecia elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
51
4.1.1. Valoarea maxim a tensiunii la polarizarea n sens invers
Pentru dimensionarea grupului de protecie, se poate neglija timpul n care curentul
invers prin tiristor (fig. 4.2.b) scade de la valoarea IRR la zero (la momentul t0+, tiristorul se
blocheaz instantaneu i ncepe ncrcarea condensatorului C). Deoarece la momentul t0acest
curent se nchide prin inductana Lk, iar la t0+tiristorul este blocat, rezult urmtoarele condiii
iniiale:
0;tu;Iti 0CRR0c (4.1)
Teorema a doua a lui Kirchhoff pe circuitul de ncrcare a condensatorului, conduce la
ecuaia:
bCCC
k UuRidt
diL (4.2)
i innd seama de expresia tensiunii pe condensator,
dti
C
1u
CC se obine ecuaia:
b20C
20
C02
C2
Uudt
du2
dt
ud (4.3)
n care s-au evideniat:
tR
C
U
ik
iT iC
uC
uT
IRR
T
t0
L
+
-
P
M
N
iTIT
0
Fig. 4.2. a) Schema echivalentla blocarea unui tiristor ; b)variaia curentului
prin tiristor, n timpul blocrii
a) b)
G
R C
A K
Fig. 4.1. Montarea circuitului de
protecie a tiristoarelor lasupratensiuni de comutaie
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
53/236
4. Protecia elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
52
- pulsaia proprie:
CL1/ k0 ;
- factorul de amortizare:
kL
C
2
R .
Ecuaia caracteristic a ecuaiei difereniale omogene (4.3) are rdcinile:
jr1,2 ,
unde:
0 ;
20 1
Considernd originea timpului la momentul t0 (t0 =0), pentru
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
54/236
4. Protecia elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
53
;C
Cc
B
- pentru timp - BkB CLT , iar timpul relativ este:
BT
t .
Expresia tensiunii n uniti relative va fi:
tcos1rtsin
1
rr/2e1u
2
tT (4.6)
iar panta de variaie:
tcos
1
r22r/2tsin
1
1r/2322re
dt
du
22
2tT (4.7)
Maximul tensiunii la care este solicitat tiristorul este:
1r2re1u
2
1
TM
m2
(4.8)
i se obine pentru:
13r/222r
2r2r/212ttg
22
2
m (4.9)
Dependenele valorii maxime a tensiunii pe tiristor n funcie de parametrii r i c,
permit desprinderea unor conclzuii utile pentru proiectare.
Astfel, la rezisten constant, valoarea maxim a tensiunii scade odat cu creterea
capacitii (fig. 4.3), iar la capacitate constant (fig. 4.4), se evideniaz existena unui optim(minim), n funcie de rezisten.
1.0
1.5
2.0
2.5
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
r = 1.0
r = 0.6
r = 1.4
Fig. 4.3. Variaia tensiunii maxime pe tiristor, n uniti
relative, n funcie de capacitatea relativ
c
uTM
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
55/236
4. Protecia elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
54
Semnificativ este, de asemenea, c la rezistene relative mai mari dect 1, scderea
tensiunii maxime cu creterea capacitii devine nesemnificativ (fig. 4.3), iar la capacitate
constant, tensiunea crete lent pentru rezistene mai mici dect valoarea optim i crete
rapid pentru rezistene mai mari dect valoarea optim (fig. 4.4).
4.1.2. Valoarea maxim a pantei de cretere a tensiunii, la polarizarea
n sens direct
Indiferent de modul n care se obine tensiunea de polarizare invers (comutaia
natural sau comutaia forat), dup blocare, la trecerea unui timp cel puin egal cu timpul de
revenire, tiristorul este polarizat n sens direct, iar panta de cretere a tensiunii nu trebuie s
depeasc valoarea maxim admisibil.
Panta de variaie a tensiunii ce polarizeaz circuitul format din inductivitatea de
comutaie i gradul de protecie, depinde de tipul convertorului i de circuitul de stingere
utilizat.
Pentru obinerea unor relaii utile n proiectare, se va considera cazul cel mai
defavorabil, cnd, dup ncrcarea condensatorului n sens invers cu tensiunea Ub, se aplic,
n sens direct, tensiunea pozitiv Ub, avnd variaie treapt.
Condensatorul se ncarc prin sarcin i, considernd curentul de sarcin, constant pedurata procesului de ncrcare, se obine pentru tensiunea pe condensator o ecuaie indirect
cu (4.3), dar condiiile iniiale vor fi:
ic(0) = 0;
uc(0) = - Ub,
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
c = 0.8
c = 0.6
c = 1.0
r
uTM
Fig.4.4.Variaia tensiunii maxime pe tiristor, n uniti
relative, n funcie de rezistena relativ
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
56/236
4. Protecia elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
55
iar pentru tensiunea indirect pe tiristor, se gsete expresia:
tsin
RC
tcos2e1UU tbT . (4.10)
Panta de variaie a tensiunii pe tiristor este :
tsinRC1
tcosRCe2Udt
dU 2020
tb
T
, (4.11)
iar n uniti relative, folosind aceleai mrimi de raportare, are expresia :
r
2
1sin
1
21r
2
1cos2
re
dt
du 2
2
222
rT , (4.12)
care are un maxim egal cu :
m2
r
M
T e
r
dt
du
, (4.13)
pentru :
2
22
m
2
43
141r
2
1tg
. (4.14)
Studiul dependenelor pantei maxime de cretere a tensiunii, n funcie de parametrii r
i c, evideniaz urmtoarele :
- exist puncte de optim (minim), att la rezisten constant, ct i la capacitate
constant (fig. 4.5 i 4.6) ;
r = 1.0
r = 1.2
r = 0.8
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
c
(duT
/d)M
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
4.0
Fig. 4.4. Variaia pantei maxime a tensiunii directe, n uniti relative,
n funcie de capacitatea relativ
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
57/236
4. Protecia elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
56
- pentru rezistene mai mici dect valoarea optim, creterea pantei maxime este
nesemnificativ, iar pentru rezistene mai mari creterea este rapid (fig. 4.6) ;
- optimul pantei de cretere a tensiunii n sens direct, se obine pentru o rezisten mai
mic dect cea corespunztoare minimului tensiunii maxime n sens invers.
4.1.3. Algoritm de dimensionare
Pentru dimensionare, se pot utiliza dependenele rezisenei optime pentru care
maximul tensiunii are valoare minim, a tensiunii optime i pantei maxime (ambele
corespunznd rezistenei optime) n funcie de capacitatea relativ (fig. 4.7), parcurgndu-seurmtorul algoritm :
- se impune un coeficient de siguran ks= 1,3 1,5 i se calculeaz valoarea maxim a
tensiunii pe tiristor,
S
RRMTM k
VU ; (4.15)
- se calculeaz tensiunea maxim relativ (coeficientul de supratensiune)
b
TMTM U
Uu ; (4.16)
- din fig 4.7 pentru uTM, de pe curba 1, se determin capacitatea c, iar corespunzator
acesteia, de pe curbele 2 i 3, se determin rezistena optim r0 i panta maxim de
variaie a tensiunii (du/d )
- se adopt pentru rezisten o valoare normalizat,
r
c = 0.6
c = 1.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
(duT/d)M
c = 0.8
Fig 4.6. Variaia pantei maxime a tensiunii directe, n uniti relative, n
funcie de rezistena relativ
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
58/236
4. Protecia elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
57
RR
b0 I
UrR ; (4.17)
- se adopt pentru capacitate o valoare normalizat,
k
2
b
RR LU
IcC
; (4.18)
- se calculeaz panta maxim de variaie a tensiunii pe tiristor, n uniti absolute,
M
T
RRk
2b
M
T
d
du
IL
U
dt
dU
; (4.19)
i se verific dac este inferioar valorii maxime admisibile respectiv,
ad
T
M
T
dt
dU
dt
dU
; (4.20)
- dac relaia de mai sus nu se verific, se alege o valoare mai mare pentru capacitate,relundu-se calculele de la pasul 3.
Obs. Curentul invers maxim prin tiristor n procesul de blocare (curentul maxim invers
-IRR), poate fi exprimat n funcie de sarcina stocat i de panta maxim de variaie a
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
0.5
1.0
1.4
2.0
0.25(duT/ d)MuTMro
c
uTM
rO
c
Fig 4.7. Variaiile tensiunii inverse optime, rezistenei optime, i pantei
tensiunii directe, n uniti relative, n funcie de capacitatea relativ
-
7/26/2019 Convertoare statice - IEC.pdf
59/236
4. Protecia elementelor semiconductoare de putere
CONVERTOARE STATICE
58
curentului. Astfel, n fig. 4.2.b, observnd c sarcina stocat este aria triunghiului dreptunghic
MPN, se obine
dt
di2QI TsqRR . (4.21)
Puterea disipat n rezistena R n timpul ncrcrii condensatorului, poate fi calculat
pornind de la ecu