Convertoare statice

1Convertoare statice

CURS 2

http://www.conv.pub.ro/convertoare_statice/an_2_A/

21.4. PIERDERILE DE PUTERE IN DIODE

n convertoarele statice de putere, regimul de funcionare al dispozitivelor semiconductoare este periodic. Din acest motiv, n calculele termice se folosete puterea (disipat) medie pe o perioad. Aceste pierderi se produc atunci cnd dioda este n conducie, adic polarizat direct (PF), cnd dioda este blocat, adic polarizat invers (PR) i pe durata proceselor de comutaie (PC) :

Funcie de frecvena cu care dioda comut n cadrul convertorului static, unele sau altele dintre cele trei componente ale pierderilor devin mai mari sau mai mici. Pierderile n conducie rmn ns mereu cele mai importante.

CRF PPPP ++=

31.4.1. FUNCTIONAREA LA FRECVENTA INDUSTRIALA

Pierderile cele mai importante se produc n conducie. n stare blocat, curentul invers este mult mai mic dect curentul direct, deci practic este neglijabil, iar durata comutaiilor este foarte mic n raport cu durata perioadei, deci iari neglijabil.

Se noteaz cu PFAV puterea medie, dezvoltat prin efect Joule, n dioda n conducie, adic polarizat direct. Prin definiie :

===ct

FF

T

FF

T

FFAV tivTtiv

Ttp

TP

000

d1d1d1

T: perioada de comutaie a diodei ;

pF = vFiF : puterea instantanee dezvoltat de dioda n conducie ;

tc = 180/ T :timpul de conducie din fiecare perioad.

4FUNCTIONAREA LA FRECVENTA INDUSTRIALA

+= 0 FTTF irVv

( ) +=+=T T

FTFT

T

FFTTFAV tiTrti

TVtiirV

TP

0 0

20

00 d

1d1d1

( )FAVfTTFAVFRMSTFAVTFAV IkrVIIrIVP 2020 +=+=

unde : FRMS

T

F ItiT=

0

2 d1 valoarea efectiv a curentului direct

FAV

FRMSf I

Ik = factorul de form al curentului direct


Puterea dezvoltat depinde de:- caracteristicile diodei (prin VT0 i rT)- de consumator (prin mrimea curentului absorbit)- de schema convertorului (prin forma de und a curentului).

exemplu de calcul

La intersecia dreptelor trasate pornind de la datele cunoscute (IFAV =300A i TA=40C), rezultpunctul A, cruia i corespunde RthCA+r=0,2C/W. De aici rezult rezistena termic maxim a radiatorului pe care trebuie montat dioda aleas pentru realizarea convertorului static (i pentru care se cunosc RthJC DC , RthCK i r ) :

)()( thCKthCAthKA RrrRR ++=Verificarea condiiilor :

certific faptul c dioda i radiatorul sunt corect alese i permit funcionarea convertorului n condiii mai grele dect cele impuse. Pentru prima condiie se urmrete traseul , iar pentru a doua, traseul de pe nomograma din Fig.1.16. Alegnd un radiator, astfel nctRthCA+r=0,15C/W, adic mai mic dect valoarea maxim obinut, rezult TA=57C i IFAV=400A.

realFAVFAV

admisAA

II

TT

6Dimensionarea radiatorului pentru o diod, care trebuie sa funcioneze la o anume temperaturambiant, fiind parcurs de un curent cu valoare medie i form de und cunoscut

200 400 6000

250

500

750

1000

1250

1500 PFAV[W]

=30o60

o 90o120

o 180o

IFAVM[A]40 80 1200

TA [ C]200 400 6000

PFAV[W]

=30o60o

90o 120

o180 o

DC

I FAVM[A]o

R thCA + r [ C/W]o

0,80,40,30,2

0,150,120,1

0,08

0,060,050,04

T

A

,

,

,

T

FUNCTIONAREA LA FRECVENTA INDUSTRIALA


Verificarea alegerii corecte a radiatorului se face prin calcul, cu relaia

din care trebuie s rezulte o temperatura virtual a jonciunii, TvJ

81.4.2. FUNCTIONAREA LA FRECVENTA JOASA

La frecvene joase, timpii de conducie (tc) i de blocare (tb) ai diodelor sunt mai lungi. Din acest motiv, n regim stabilizat, temperatura virtual a jonciunii va varia n limite mai largi (constituind o solicitare suplimentar a diodei, care determin obosirea termic a diodei. Mai rezistente la acest regim de funcionare sunt diodele cu contacte presate. Pe lng condiia deja cunoscut, ca TvJmax=150C, se impune condiia suplimentar : TvJmax=60C.

T

t

t

P

tc

t b

p

vJ

TvJ

FM FMPFAV Pt cT

T

=

9Calculul temperaturii se face considernd regimul de fucionare ca o succesiune de regimuri tranzitorii. Se lucreaz cu puterea medie maxim la conducie, PFM , definit prin relaia

FUNCTIONAREA LA FRECVENTA JOASA

c

FAVFM t

TPP =

Se poate calcula TvJ i TvJ , pentru regimul stabilizat de funcionare:

=

+=k

iT

t

iFMAvJ

i

i

c

rPTT1

e1

e1

=

=k

i

t

T

t

iFMvJi

b

i

i

c

rPT1

e1e1

e1

Dimensionarea se poate face pornind fie de la TvJ=150C , fie de la TvJ=60C i verificnd cealalt condiie. La cererea utilizatorului, productorii furnizeaz curbele de ncrcare la frecvene joase

10

1.4.3. FUNCTIONAREA LA FRECVENTA INALTA

La frecvene nalte, durata comutaiei nu mai este neglijabil n raport cu durata de conducie. n calculul termic, pentru puterea termic transmis, se iau n consideraie i pierderile de la revenirea n invers pe durata timpului de cdere tf, pentru c doar pe aceast durat att curentul, ct i tensiunea au valori semnificative. Puterea medie total ce trebuie transmis ctre mediul ambiant crete:

QAVFAV PPP +=

- PFAV este puterea medie deja definit;- PQAV este puterea medie dezvoltat la revenirea n invers (blocare) i se exprim funcie de energia WQ i frecvena de comutaie f

QQ

QAV WfTW

P ==

Energia WQ disipat la blocare se calculeaz prin integrare:

s

t

RM

t

RM

t

RMQ QVtiVtiVtivWsff

=

11

FUNCTIONAREA LA FRECVENTA INALTA

PQAV reprezint partea cea mai important a pierderilor n comutaie PC . Pierderile la intrarea n conducie, cea de-a doua component a pierderilor n comutaie PC , sunt neglijabile

n cataloage, pentru diodele rapide se dau nomograme pentru determinarea direct a pierderii PQAV , cunoscnd sarcina stocat Qs , frecvena de lucru f i tensiunea invers de lucru VR .

010-11 5 10 15 20 25 30 35 40

VR=100V200V300V

400V500V

600V700V 800V900V

1000V

f=40 kHz35 kHz30 kHz25 kHz20 kHz15 kHz

10 kHz5 kHz

QS[ C] PQAV [W]

Pierderile n diod pe durata de comutaie

12

1.5. MARIMI CARACTERISTICE ALE DIODELOR

Regimul normal de funcionare la polarizare direct

Curentul nominal IFAVM este valoarea medie a celui mai mare curent, de forma unui puls semi-sinusoidal, cu durata de 10 ms (unghi de conducie de 180 electrice), care n regim permanent determin o nclzire normal a carcasei (indicat de productor), n condiii de rcire specificate.

Tensiunea de prag VT0

Rezistena dinamic rT

Tensiunea maxim direct VFM este cderea de tensiune maxim la bornele diodei, msurat n condiii bine stabilite (la un curent direct i o temperatur date).

Temperaturi maxime : temperatura virtual a jonciunii TvJ =150 C i temperatura carcasei TC=f(IFAV).

Rezistene termice : jonciune-capsul n curent continuu RthJC DC, capsul-radiator RthCK icorecia funcie de unghiul de conducie r=f()

13

MARIMI CARACTERISTICE ALE DIODELOR

Regimul anormal de funcionare la polarizare direct

Este un regim nerepetitiv, care const n suprasolicitri n curent. ntre dou suprasarcini succesive, dioda trebuie s aib timpul necesar revenirii la temperatura normal. Parametrii caracteristici sunt :

Curentul de suprasarcin previzibil IF(OV) este valoarea medie a unui curent, de forma unui pulssemi-sinusoidal, cu durata de 10 ms (unghi de conductie de 180 electrice), care poate trece un timp determinat prin diod.

Curentul de suprasarcin accidental IFSM este valoarea de vrf a unui curent, de forma unui puls semi-sinusoidal, cu durata de 10 ms (unghi de conductie de 180 electrice), care poate trece prin diod, cu condiia ca aceasta s nu fie polarizat invers nainte de un minut. Acest curent se d pentru dou temperaturi ale jonciunii TvJ=25C i 150C.

Integrala Joule sau integrala de curent I2t msoar capacitatea diodei de a nmagazina o anumit cantitate de cldur, n regim de avarie. Se calculeaz corespuntor curentului IFSM pe o durat de 10 ms.

14

==

ms

FSMFSM sAIttItI10

0

232222 ][101021dsin


Pentru solicitri mai scurte de 10ms, integrala Joule se diminueaz corespunztor, cu un factor kI

)10(22

msI tItIk =

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

t[ms]

k I

. Factorul de diminuare a integralei Joule funcie de durata de conducie, pentru dioda KS 6060 cu radiator TNF

15


Aceti parametri (IF(OV) , IFSM , I2t) indic posibilitile diodei de a suporta un curent de suprasarcin sau scurtcircuit pn n momentul acionrii sistemului de protecie, de obicei sigurane fuzibile. Parametrii diodei trebuie corelai cu cei ai siguranei fuzibile, astfel nct aceasta s acioneze , adic s se ard i s ntrerup circuitul, nainte de distrugerea diodei .

16


Regimul normal de funcionare la polarizare invers

Tensiunea invers repetitiv maxim VRRM Curentul invers maxim IRM,

Regimul anormal de funcionare la polarizare invers

Este un regim nerepetitiv, care const n suprasolicitri n tensiune. Parametrul caracteristic este:

Tensiunea invers accidental maxim VRSM a crei depire, chiar i pentru scurt timp, duce la strpungerea diodei

17


Regimul de comutatie

Sarcina stocat Qs

Timpul de revenire n invers trr (se specific numai pentru diodele rapide)

Viteza critic de cretere a curentului di/dt (se specific numai pentru diodele rapide)Depirea acestei viteze poate duce la distrugerea jonciunii prin favorizarea repartizrii neuniforme a densitii de curent n zona jonciunii i creterea excesiv a temperaturii n zonele cu densitate mare

Viteza critic de cretere a tensiunii inverse dv/dt (se specific numai pentru diodele rapide)

18

Gata cu dioda !!

Dar urmeaza tiristorul

19

1. Tiristorul de putere.

20

Tiristoarele de putere sunt dispozitive semiconductoare comandate, unidirecionale n curent i bidirecionale n tensiune. Spre deosebire de tranzistor, el poate rmne n conducie i dup dispariia semnalului de comand, dac este parcurs de un curent minim, numit curent de meninere.

Kn

-

J3J1

G

A K+

-

G

A K+

-

G

A

J2

n++pp ++

A K+ -

G

simbolul structura

21

Exist trei jonciuni p-n ntre patru straturi semiconductoare:- dou exterioare (dopate p, respectiv n), puternic dopate (notate p++, respectiv n++),

permit vehicularea unui numr mare de purttori de sarcin liberi. Datorit lor, un tiristor de putere poate suporta densiti de curent medii de 60100 A/cm2, valori necesare frecvent n electronica de putere.

- doua mijlocii, slab dopate, n special cel n (notat din acest motiv n-), astfel nct jonciunile p-n, J1 i J2 se realizeaz ntre un strat slab dopat i unul puternic dopat. Astfelaceste jonciuni pot suporta tensiuni inverse mari, de 15 kV, fr s se strpung.

Diferena mare de potenial ntre anod i catod se regsete practic n ntregime pe stratul slab dopat n-, strat n care se extinde zona de blocare (srac n purttori de sarcin liberi) de la jonciunile p-n, J1 i J2 ; din acest motiv, limea zonei slab dopate n- este mai mare comparativ cu limea celorlalte zone (de exemplu 320m, fa de 100m, limea stratului p++, sau 35m limea stratului n++).

K

n

-

J 3

J 1

G

A

J 2

n

++ p

p

++

22

K

n

-

J 3

J 1

G

A

J 2

n

++ p

p

++

Tiristorul are trei electrozi :

- A numit anod, conectat la stratul dopat p++ ;

- K numit catod, conectat la stratul dopat n++ ;

- G numit poart sau gril, conectat la stratul dopat p+.

23

2.1. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE

+ -

v T

i T-D- +v R

i R +

v D

i

a) b) c)

a) polarizat invers, cu tensiunea exterioar UP aplicat cu borna pozitiv la catod i cu cea negativ la anod, situaie n care mrimile caracteristice se noteaz cu indicele R (VR i IR), tiristorul este blocat i asigur ntreruperea circuitului;

b) polarizat direct i fr tensiune de comand, cu tensiunea UP aplicat cu borna pozitiv la anod i cu cea negativ la catod, situaie n care mrimile caracteristice se noteazcu indicele D (VD i ID), tiristorul este tot blocat i asigur ntreruperea circuitului

c) polarizat direct i cu tensiune de comand, cu dou tensiuni exterioare : UPaplicat cu borna pozitiv la anod i cu cea negativ la catod i UC aplicat cu borna pozitivpe gril i cu cea negativ la catod. n aceast situaie, n care mrimile caracteristice se noteaz cu indicele T (VT i IT), tiristorul intr n conducie i asigur continuitatea circuitului. Tiristorul trece n starea de conducie dac tensiunea UC asigur n circuitul poart-catod un curent iG superior unei valori date IGT, care este o mrime de catalog a tiristorului.

24

p nn pA

K

J1 J2 J3

+ -

U PK 1 R S

++_ ++

+ - 2

GK

U C

v T

i T

vGi G R G

La polarizare direct, deci cu tensiunea UP aplicat ca n figura, cu ntreruptorul K1 nchis, dar n absena semnalului de comand (cu K2 deschis), jonciunea J2 este polarizat invers. Aceasta suport tensiuni inverse comparabile cu jonciunea J1 , deoarece stratul n- este cu 3-4 ordine de mrime mai slab dopat dect stratul p. Cu ct stratul n- este mai slab dopat, cu att el trebuie s fie mai lat, pentru ca zona srac n purttori de sarcin de la jonciunea J2 s nu se extind n toat zona n- i astfel s se produc scurtcircuitarea jonciunilor J1 i J2 . Ca urmare, indiferent de polaritatea tensiunii UP , adic indiferent dac tiristorul este polarizat direct sau invers, acesta este blocat n absena semnalului de comand. La polarizare invers el va fi parcurs de un curent invers IR , iar la polarizare direct de un curent direct ID , ambii de valoare foarte sczut.

25

p nn pA

K

J1 J2 J3

+ -

U PK 1 R S

++_ ++

+ - 2

GK

U C

v T

i T

vGi G R G

La polarizare direct, dar n prezena semnalului de comand deci cu ntreruptoarele K1 i K2 nchise, tiristorul conduce, dac IG >IGT.

Intrarea i meninerea n conducie a tiristorului, chiar i dup ntreruperea semnalului de comand se poate urmri pe schema urmatoare, n care tiristorul a fost desenat ca fiind format din dou tranzistoare echivalente:

26

pnpA

E 2

T2

+ -K 1R C

a)

E 1

B 2 C2

B1C1

T1 p nn

I T

K

G I GK 2+ -

UP

=IE2I T

IE1

UCRG

A

K

G

I T

T2

T1

i d

C b

IB1

I G

IE1

IC2I B2

IC1

VT

b)

=I E2

X

Y VG

p nn pA

K

J1 J2 J3

+ -

U PK 1 R S

++_ ++

+ - 2

GK

U C

v T

i T

v Gi G R G

Schema echivalent a tiristorului, format din dou tranzistoare

27

pnpA

E 2

T2

+ -K 1R C

a)

E 1

B 2 C2

B1C1

T1 p nn

I T

K

G I GK 2+ -

UP

=IE2I T

IE1

UCRG

A

K

G

I T

T2

T1

i d

C b

IB1

I G

IE1

IC2I B2

IC1

VT

b)

=I E2

X

Y VG

Dac ntreruptorul K1 este nchis, la nchiderea lui K2 , curentul IG reprezint semnal de comandpe baz pentru tranzistorul T1 , care are ndeplinite condiiile de intrare n conducie. Potenialul negativ al emitorului E1 se transmite colectorului C1. Curentul de colector IC1 reprezint curentul de baz pentru tranzistorul T2. Acest tranzistor va intra i el n conducie : potenialul pozitiv al emitorului E2 se transmite colectorului C2 ; curentul de colector IC2 este curentul de baz pentru tranzistorul T1 i deci poate prelua rolul curentului de comand IG . Ca urmare, ntreruptorul K2se poate deschide i curentul de comand pe poarta tiristorului IG , se poate ntrerupe, deoarece cele dou tranzistoare se comand reciproc i conducia prin ansamblul format de ele, adic prin tiristor, se automenine.

28

pnpA

E 2

T2

+ -K 1R C

a)

E 1

B 2 C2

B1C1

T1 p nn

I T

K

G I GK 2+ -

UP

=IE2I T

IE1

UCRG

A

K

G

I T

T2

T1

i d

C b

IB1

I G

IE1

IC2I B2

IC1

VT

b)

=I E2

X

Y VG

Acest fenomen, numit reacie intern de curent, poate fi iniiat dac prin tiristor trece un curent mai mare dect curentul de acroare, notat IL i se menine, la scderea lent a curentului pnla o valoare numit curent de meninere, notat IH ; aa cum s-a precizat, curentul de comandtrebuie s ndeplineasc anumite condiii de amplitudine i durat care vor fi detaliate

29

Legtura dintre curentul direct prin tiristor i curentul de comand :

pnpA

E 2

T2

+ -K 1R C

a)

E 1

B 2 C2

B1C1

T1 p nn

I T

K

G I GK 2+ -

UP

=IE2I T

IE1

UCRG

A

K

G

I T

T2

T1

i d

C b

IB1

I G

IE1

IC2I B2

IC1

VT

b)

=I E2

X

Y VG

0111 CBEnC III +=

0111 )1( CBEnB III =GTE III +=1

GCB III += 21

- pentru tranzistorul T1 , care are purttori de sarcin majoritari negativi:

30

pnpA

E 2

T2

+ -K 1R C

a)

E 1

B 2 C2

B1C1

T1 p nn

I T

K

G I GK 2+ -

UP

=IE2I T

IE1

UCRG

A

K

G

I T

T2

T1

i d

C b

IB1

I G

IE1

IC2I B2

IC1

VT

b)

=I E2

X

Y VG

- pentru tranzistorul T2 , care are purttori de sarcin majoritari pozitivi :

022 CBTpC III +=

2ET II =Rezulta:

n

CBBE

III1

0111

+=

n

012

1++

=+ CBGCGTIIIII

31

pnpA

E 2

T2

+ -K 1R C

a)

E 1

B 2 C2

B1C1

T1 p nn

I T

K

G I GK 2+ -

UP

=IE2I T

IE1

UCRG

A

K

G

I T

T2

T1

i d

C b

IB1

I G

IE1

IC2I B2

IC1

VT

b)

=I E2

X

Y VG

n

0102p

1

+++=+ CBGCBTGT

IIIIII

Se noteaz ICB0 =I CB01 +I CB02

( )pn0n

1

+

+=

CBGT

III

32

Deoarece nIG>>ICB0 , dac se neglijeaz curentul ICB0 , se poate calcula ctigul n curent la amorsarea tiristorului, Gon , definit ca raportul dintre curentul principal, IT i curentul de comand, IG

( )pnn

1

+==

G

Ton I

IG

Coeficienii n i p depind de structura cristalului semiconductor, de temperatura de lucru i de curentul IT , aa cum se vede n graficul de mai jos:

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

10-4 10-2 100 10 2

IT[A]

n

p

T1

T2

T3

T3

T2

T1

T1

T2

T3<

33

2.2. CARACTERISTICILE STATICE

- pentru circuitul de for i=f(v), care reprezint variaia curentului prin tiristor ca funcie de tensiunea la bornele acestuia ;

- pentru circuitul de comand iG=f(vG).

34

2.2.1. Caracteristica static a circuitului de for

IT

ILI

H

VTIDM

VT0 VDRM VB0IRM

VRRMVBR

I =0G

I =0G3

1

4

2

VRSM

VDSM

-IT

-VT

CIII

CI

35

La polarizare direct a tiristorului , dar n absena curentului de comand (IG=0), punctul static de funcionare parcurge poriunea 1 din cadranul CI. Tiristorul este blocat n direct, iar caracteristica este de fapt caracteristica invers a jonciunii J2. n aceast situaie, n+p1 i prin tiristor trece un curent foarte mic, atta timp ct tensiunea este inferioar tensiunii deautoamorsare (tensiune de basculare), notat VB0 . La atingerea acestei tensiuni, ncepe procesul de generare n avalan a purttorilor de sarcin, purttori care suplinesc lipsa curentului de comand i determin amorsarea tiristorului

Tiristorul parcurge rapid zona instabil 4, de rezisten negativ, determinat de creterea foarte accentuat a numitorului ecuaiei tiristorului 1-(n+p). Astfel, tiristorul trece n zona 2 a caracteristicii statice care corespunde strii de conducie i se comport asemntor cu o diod n conducie : la cureni mari (sute de amperi), cderile de tensiune sunt mici (1 2V).

IT

ILI

H

VTIDM

VT0 VDRM VB0IRM

VRRMVBR

I =0G

I =0G3

1

4

2

VRSM

VDSM

-IT

-VT

CIII

CI

36

Aceast comportare a tiristorului n absena curentului de comand este posibil, dar nu este dorit i util n convertoarele statice de putere. Tensiunea VB0 nu trebuie atins n cursul funcionrii normale. Pe msur ce curentul de comand crete, tensiunea VB0 scade. Pentru IG=0 , n catalogul de tiristoare se indic tensiunea direct repetitiv maxim, notat VDRM , care reprezint tensiunea maxim pe care tiristorul o poate bloca la polarizare direct n mod repetitiv, fr s se produc fenomenul de autoamorsare.

IT

ILI

H

VTIDM

VT0 VDRM VB0IRM

VRRMVBR

I =0G

I =0G3

1

4

2

VRSM

VDSM

-IT

-VT

CIII

CI

37

IT

ILI

H

VTIDM

VT0 VDRM VB0IRM

VRRMVBR

I =0G

I =0G3

1

4

2

VRSM

VDSM

-IT

-VT

CIII

CI

Zona 2 a caracteristicii directe corespunde tiristorului n conducie. n aceast stare tiristorul ajunge dac este strbtut de un curent direct mai mare dect curentul de acroare (IT >IL ) i rmne n conducie dac este strbtut de un curent direct mai mare dect curentul de meninere (IT >IH ) .

Ca i la diode, caracteristica de conducie este dependent de temperatura de lucru a tiristorului i se aproximeaz cu o dreapt definit de ecuaia :

0 TTTT irVv +=

38

IT

ILI

H

VTIDM

VT0 VDRM VB0IRM

VRRMVBR

I =0G

I =0G3

1

4

2

VRSM

VDSM

-IT

-VT

CIII

CI

- rT este rezistena dinamic a tiristorului, dat n catalog i definit prin

T

TT i

vr

dd

=

- VT0 este tensiunea de prag i reprezint punctul de intersecie al caracteristicii de conducie cu abscisa, fr s aib semnificaie fizic, aa cum are n cazul diodei

39

n cataloage, pentru fiecare tiristor sunt prezentate caracteristicile de conducie, ca valori tipice i valori limit, pentru dou temperaturi ale jonciunii (25C i 125C). Se observ c att rezistena diferenial rT, ct i tensiunea de prag sunt dependente de temperatura jonciunii :rT crete, n timp ce VT0 scade cu creterea temperaturii. n cataloage valorile rT i VT0 sunt date pentru jonciunea la cald (125C).

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8

200

400

600

800

1000

IT[A]

VT[V]

Tvj =25 C

o

Tvj=125 Co

a)

b)

Caracteristica de conducie a tiristorului T128N

40

La polarizare invers a tiristorului, acesta se comport ca o diod polarizat invers. Ca urmare, caracteristicile inverse ale tiristorului i diodei sunt asemntoare. n zona 3 tiristorul este blocat n invers i, la aplicarea tensiunii inverse, prin el trece un curent foarte mic, considerat neglijabil n cadrul convertoarelor statice de putere. Tiristorul rmne blocat indiferent de existena sau absena curentului de comand IG . Existena curentului modific totui alura caracteristicii, determinnd o uoar cretere a curentului invers, la aceeai tensiune invers, deci o cretere a puterii dezvoltate, putere inutil din punctul de vedere al utilizatorului. Aadar, existena curentului de comand trebuie evitat la polarizarea invers a tiristorului.

IT

ILI

H

VTIDM

VT0 VDRM VB0IRM

VRRMVBR

I =0G

I =0G3

1

4

2

VRSM

VDSM

-IT

-VT

CIII

CI

41

La depirea tensiunii de strpungere VBR , apare multiplicarea prin avalan a purttorilor i, ca urmare, creterea puternic a curentului invers. Acesta determin creterea puterii dezvoltate, ceea ce are drept consecin distrugerea termic a tiristorului. n scopul evitrii apariiei acestui fenomen, n cataloagele productorilor de tiristoare nu este indicat tensiunea VBR , ci tensiunea VRRM , numit tensiune invers repetitiv maxim ; VRRM reprezintvaloarea de vrf a tensiunii inverse ce poate fi aplicat tiristorului, periodic (repetitiv), fr ca el s se deterioreze. Curentul invers corespunztor tensiunii VRRM este curentul invers maxim, notat IRM i indicat de asemenea n cataloage. Unii productori dau i tensiunea VRSM , tensiunea invers maxim accidental, care poate fi suportat de tiristor n mod singular, frs se strpung. Strpungerea tiristorului este ireversibil i nseamn distrugerea structurilor semiconductoare, acestea pierzndu-i proprietatea de conducie unidirecional.

Caracteristica invers depinde i ea de temperatur, deoarece curentul invers este cauzat, n principal, de energia furnizat electronilor prin agitaie termic : deci la temperatur mai mare, curentul invers este mai mare, pentru aceeai tensiune invers aplicat la bornele tiristorului. Aceast caracteristic nu se indic ns n catalog.

la polarizare direct n conducie, curenii sunt mari i tensiunile mici, iar la polarizare invers i n stare blocat n direct, curenii sunt mici i tensiunile mari.

42

2.2.2. Caracteristica static a circuitului de comanda

54

3

2

1

L2L1

PGM2 ,tg2PGM1 ,tg1

>PGM1PGM2tg2< tg 1Tvj=25 C

VGVGM1VGTVGD

(25 C)(125 C)

I GD(125 C)

I GT(25 C)

IGM1

IG

L1L2

VD

+ -

A K(+) G

iGvG

RA M

= IGR-IG

-VG= VGR

CIII

CI

43

54

3

2

1

L2L1

PGM2 ,tg2PGM1 ,tg1


VGVGM1VGTVGD

(25 C)(125 C)

I GD(125 C)

I GT(25 C)

IGM1

IG

L1L2

VD

+ -

A K(+) G

iGvG

RA M

= IGR-IG

-VG= VGR

CIII

CI

Caracteristica static a circuitului de comand are tot dou ramuri, deoarece circuitul conine jonciunea J3 dintre poart i catod i este de fapt caracteristica static a diodei pe care o reprezint aceast jonciune :

- caracteristica direct a porii, sau caracteristica de comand n cadranul unu (notat CI) al planului (iG,vG) ;

- caracteristica invers a porii, n cadranul trei (notat CIII) al planului (iG,vG), cadran n care mrimile primesc indicele suplimentar R.

44

Avnd n vedere gradul redus de dopaj al stratului p adiacent jonciunii J3 , necesar pentru a asigura ntregii structuri caracteristica de tiristor, jonciunea poart-catod are un caracter mai slab de diod , n ambele direcii de polarizare, adic :

- n conducie cderea de tensiune este mai mare, caracteristica fiind mai platcomparativ cu a diodei ;

- capacitatea de blocare este redus, curentul invers crescnd mai rapid cu creterea tensiunii inverse ;

- caracteristica are dispersie mare de fabricaie, motiv pentru care n cataloage se indic limitele L1 i L2 ntre care ea poate lua valori

45

54

3

2

1

L2L1

PGM2 ,tg2PGM1 ,tg1


VGVGM1VGTVGD

(25 C)(125 C)

I GD(125 C)

I GT(25 C)

IGM1

IG

L1L2

VD

+ -

A K(+) G

iGvG

RA M

= IGR-IG

-VG= VGR

CIII

CI

Zona 1 de neamorsare sigur, delimitat superior prin IGD i VGD , care reprezint cel mai mare curent, respectiv tensiune de poart, pentru care nici un tiristor cu aceleai caracteristici din seria de fabricaie nu amorseaz. Dac punctul de funcionare al circuitului poart-catod este n zona 1, nici un tiristor din serie nu va amorsa

46

54

3

2

1

L2L1

PGM2 ,tg2PGM1 ,tg1


VGVGM1VGTVGD

(25 C)(125 C)

I GD(125 C)

I GT(25 C)

IGM1

IG

L1L2

VD

+ -

A K(+) G

iGvG

RA M

= IGR-IG

-VG= VGR

CIII

CI

Zona 2 de amorsare probabil, delimitat superior prin IGT i VGT, care reprezint cel mai mic curent, respectiv tensiune de poart, pentru care toate tiristoarele cu aceleai caracteristici din aceeai serie de fabricaie amorseaz n mod sigur. Dac punctul de funcionare al circuitului poart-catod este n zona 2, atunci unele tiristoare din serie pot s amorseze, iar altele nu.

47

54

3

2

1

L2L1

PGM2 ,tg2PGM1 ,tg1


VGVGM1VGTVGD

(25 C)(125 C)

I GD(125 C)

I GT(25 C)

IGM1

IG

L1L2

VD

+ -

A K(+) G

iGvG

RA M

= IGR-IG

-VG= VGR

CIII

CI

Zona 3 de amorsare sigur, delimitat superior de hiperbolele 4 de disipaie ale circuitului de comand. Aceste hiperbole sunt caracterizate de puteri diferite : PGM2 > PGM1 i de durate diferite ale pulsului de comand : tg2 < tg1 . Dac punctul de funcionare M, obinut la intersecia caracteristicii directe cu dreapta de sarcin a circuitului poart-catod se afl n aceast zon, toate tiristoarele din seria de fabricaie vor amorsa n mod sigur

48

Caracteristica static a circuitului de comand este puternic dependent de temperatur, motiv pentru care parametrii definitorii pentru ea se dau la temperaturi bine stabilite i care reprezintcondiiile cele mai defavorabile pentru amorsarea tiristorului.

Pentru a se putea folosi mai uor n proiectare caracteristica direct a porii (de comand), aceasta este reprezentat n catalog n coordonate logaritmice (ex.: caracteristica static a porii (a circuitului de comand) pentru tiristorul T200N 08

0,01 0,02 0,04 0,1 0,2 0,4 1 2 4 10 20 40 1000,1

0,2

0,4

1

2

4

10

20VGVGM1

VGT

VGD

I GD I GTI GM1 I G[A]

Tvj=125 C

o

=25 Co=-25 Co

=-40 Co

ab c

d

L2

L1[V]

Parametru a b c d

tg [ms] 10 1 0,5 0,1

PGM [W] 40 80 100 150

49

Caracteristicile de comanda sunt valabile att timp ct tiristorul este comandat cu curent continuu sau cu un impuls de curent suficient de lung pentru a putea fi asimilat unei comenzi continue. Pentru comanda cu impulsuri scurte, sau atunci cnd curentul de conducie crete foarte rapid, imediat dup amorsare, modul de comand trebuie s satisfac o serie de condiii bine precizate, despre care se va discuta ulterior.

Caracteristica invers a porii prezint ca i caracteristica direct o mare dispersie datoritfabricaiei i este puternic dependent de temperatura jonciunii. Jonciunea poart-catod poate fi distrus prin solicitare la tensiune invers, dac se depete valoarea tensiunii ei de strpungere, care este mic, de cel mult 20V, n funcie de tipul tiristorului. Tensiunea inversse poate aplica pe poart dintr-o eroare de montaj, sau cnd se dorete stingerea rapid i sigura tiristorului prin comanda pentru un interval scurt de timp a porii, cu polaritate negativ.

Convertoare statice

Documents

Transcript of Convertoare statice