Dispozitive Semiconductoare de Putere

1

REFERIN BIBLIOGRAFIC: F.IONESCU, S.NIU, D.FLORICU, ELECTRONIC DE PUTERE I, EDITURA ELECTRA, BUCURETI, ISBN 973-8067-15-4, 2000, 216 PAGINI

1. DIODE SEMICONDUCTOARE DE PUTERE

sunt dispozitive semiconductoare necomandabile, unidirecionale n curent i n tensiune.

p nA K

a) b)

A K+ - ++ ++p Jpn

Fig. 1.1. Dioda semiconductoare de putere : a) simbolul ; b) structura. n structura sa exist o singur jonciune p-n, dei are trei straturi

semiconductoare (Fig.1.1)

Dioda are doi electrozi : A numit anod i K numit catod.

a) b)-

A K

vF

+i F A K

vR

+-i R

Fig. 1.2. Polarizarea diodei : a) direct ; b) invers .

n circuite, dioda semiconductoare de putere se poate afla n 3 situaii (Fig.1.2) :

polarizat direct, situaie n care mrimile caracteristice se noteaz cu indicele F (VF i IF), iar dioda asigur continuitatea circuitului ;

polarizat invers, situaie n care mrimile caracteristice se noteaz cu indicele R (VR i IR), iar dioda asigur ntreruperea circuitului ;

nepolarizat, situaie fr importan practic n domeniul CSP (ntrerupe circ.).

1.1. CARACTERISTICA STATIC

Caracteristica static (Fig.1.3) reprezint variaia curentului prin diod ca funcie de tensiunea la bornele acesteia : )(vfi = i are dou ramuri, corespunztoare celor dou stri de polarizare :

caracteristica direct, n cadranul unu (notat C I) al planului (i,v) ;

Dispozitive Semiconductoare de Putere

2

caracteristica invers, n cadranul trei (notat C III) al planului (i,v).

i=iR [mA]

i=i F [A sau kA]

IR

IF

+A

-K

VF

v=vF [V]

VBR

VRSM

VRRM

IRM VF

v=vR

[kV] VTo

IF

ron VTo

+

A

-

K

VR

roffC III

C I

O

S

R

F

V0

Fig. 1.3. Caracteristica static real a diodei. Caracteristica direct corespunde polarizrii directe a diodei, se numete

i caracteristica de conducie i este reprezentat n Fig.1.3.a prin ramura OF. Curentul i=iF i tensiunea v=vF corespunztoare sunt considerate pozitive, motiv pentru care se traseaz n cadranul unu al planului (i,v).

Ecuaia dreptei de aproximare a caracteristicii statice directe : 0 FTTF irVv += pentru 0 TF Vv > , (1.1)

unde rT este rezistena dinamic a diodei, dat n catalog i definit prin :

F

FT i

vrdd

= (1.2)

cum ns caracteristica este aproximat cu o dreapt, se poate scrie, pentru orice punct de funcionare, determinat de coordonatele (VF, IF):

F

F

F

FT I

Vivr = ctg

dd (1.3)

Caracteristica invers corespunde polarizrii inverse a diodei, se numete i caracteristica de blocare i este reprezentat n Fig.1.3.a prin ramura OR.

Valoarea maxim a tensiunii inverse este limitat de apariia fenomenului de strpungere prin avalan.

Curentul invers corespunztor tensiunii VRRM este curentul invers maxim, notat IRM i indicat de asemenea n cataloagele de diode.

1.2. REGIMUL TERMIC

Dispozitive Semiconductoare de Putere

3

Temperatura cristalului semiconductor influeneaz semnificativ comportarea diodei, n orice regim de funcionare. Aceast temperatur, denumit temperatura virtual a jonciunii i notat Tvj, este determinat de puterea disipat de diod ; cldur se dezvolt prin efectul Joule la trecerea curentului prin diod.

Studiul regimului termic (permanent sau tranzitoriu) se face cu ajutorul schemelor termice echivalente, construite prin analogie cu schemele electrice.

1.2.1. Regimul termic permanent Schemele termice echivalente pentru studiul regimului termic permanent se

construiesc numai cu rezistene termice. Rezistena termic Rth se msoar n [grd/W], aa cum rezult din relaia de

definiie, similar cu teorema lui Ohm : P

TRth = (1.4)

unde : T este diferena de temperatur ntre cele dou puncte ntre care se consider c exist o rezisten termic Rth ; P este cantitatea de puterea termic transmis prin rezistena termic respectiv.

VIR Rth

P

R

=V

I

V0

V=RI

=

Rth =Rth PP

vj

Fig. 1.4. Analogie ntre mrimi electrice i termice.

1.3. PIERDERILE DE ENERGIE N DIODE

Pierderi se produc atunci cnd dioda este n conducie, adic polarizat direct (PF) i pe durata proceselor de comutaie (PC) :

CF PPP += (1.5)

Funcie de frecvena cu care dioda comut n cadrul convertorului static, pierderile n comutaie devin mai mari sau mai mici dect cele n conducie.

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 (1.6)

Dispozitive Semiconductoare de Putere

4

unde : T este perioada de comutaie a diodei ; pF=vFiF este puterea instantanee dezvoltat de dioda n conducie ; tc= 180/ T este timpul de conducie din fiecare perioad. Dac n (1.6) se nlocuiete vF cu expresia din (1.1), se obine succesiv :

( ) +=+=T T

FTFT

T

FFTTFAV tiTrti

TVtiirV

TP

0 0

20

00 d

1d1d1 (1.7)

sau : ( )FAVfTTFAVFRMSTFAVTFAV IkrVIIrIVP 2020 +=+= (1.8) unde : =

T

FAVF ItiT 0d1 este valoarea medie a curentului direct ;

FRMST

F ItiT=

0

2 d1 este valoarea efectiv a curentului direct ;

FAV

FRMSf I

Ik = este factorul de form a curentului direct.

Din relaia (1.28) rezult c puterea dezvoltat depinde att de caracteristicile diodei (prin VT0 i rT), de sarcin (prin mrimea curentului absorbit), ct i de schema convertorului (prin forma de und a curentului).

1.4. Diacul Diacul este dispozitiv semiconductor necomandabil cu conducie

bidirecional ; intr n conducie atunci cnd tensiunea la borne depete tensiunea de deschidere, VBR . Simbolul i caracteristica static sunt date n Fig.1.30. Se folosete frecvent n circuitele de comand ale triacelor (paragraful 3.X).

VR

IR

0VBR VF

I F

VBR

a)

b)

Fig. 1.5. Diacul : a) simbolul ; b) caracteristica static.

2. TRANZISTOARE DE PUTERE

Dispozitive Semiconductoare de Putere

5

Tranzistoarele de putere sunt dispozitive semiconductoare comandabile, unidirecionale n curent, la care semnalul de comand trebuie meninut pe toat durata de conducie.

Tipurile principale de tranzistoare sunt prezentate n Fig.2.1 : Tranzistoare

cu grila bipolaraIGBT

Bipolare

PNP NPN

Tranzistoare Darlington

Unipolare

cu grila izolataMOSFET

cu jonctiuneJFET

canal N canal Ncanal P canal P

cu regim de saracire(depletition) (enhancement)

cu efect de campFET

cu regim de imbogatirecu canal initial cu canal indus

Fig. 2.1. Clasificarea tranzistoarelor de putere.

2.1. TRANZISTOARE BIPOLARE DE PUTERE

Simbolul tranzistorului bipolar de putere este cel prezentat n Fig.2.1.a. Sgeata de la emitor marcheaz sensul de deplasare al sarcinilor pozitive.

a)

b)

C

E

B

C

E

B

E Cpnp

B

+

JE

E Cpn

B

+ n

JE JC JC

Fig. 2.2. Tranzistorul bipolar de putere : a) simbolul ; b) structura.

n structura sa exist dou jonciuni p-n i trei straturi semiconductoare (Fig.2.1) n succesiunea : n-p-n sau p-n-p.

Tranzistorul bipolar de putere are trei electrozi : E numit emitor, conectat la unul dintre straturile exterioare (foarte puternic dopat) ;

Dispozitive Semiconductoare de Putere

6

C numit colector, conectat la al doilea strat exterior ; B numit baz, conectat la stratul median.

Cele dou jonciuni se numesc: jonciunea baz-emitor (a emitorului, notat JE) i jonciunea baz-colector (a colectorului, notat JC).

2.1.1. Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar Tranzistorul bipolar are trei borne i se conecteaz n circuit ca un

cuadripol, una dintre borne fiind comun att circuitului de intrare, ct i celui de ieire (Fig.2.4).

CE

B B

C

E

B

E

a) b)

CC

BE

c)

Fig. 2.3. Posibiliti de conectare a tranzistorului bipolar de putere : a) cu baz comun ; b) cu emitor comun ; c) cu colector comun.

Exist trei tipuri de caracteristici statice :

caracteristica de intrare, pentru mrimile circuitului de intrare ; caracteristica de transfer, care prezint dependena ntre mrimi ale circuitului de intrare i mrimi ale circuitului de ieire ;

caracteristica de ieire, pentru mrimile circuitului de ieire. n Fig.2.4. sunt marcate sensurile pozitive pentru cureni i tensiuni, pentru

tranzistorul de tip n-p-n.

RB

VC

RCIC Vp

IE

VCE

Fig. 2.4. Conectarea n circuit a tranzistorului n-p-n .

Caracteristica de ieire reprezint dependena )( CEC vfi = cnd curentul de comand IB este meninut constant i este reprezentat n Fig.2.5.

n zona 1, tranzistorul este n conducie la saturaie i se comport n circuit ca un ntreruptor nchis : prin el trece un curent IC mare, iar cderea de

Dispozitive Semiconductoare de Putere

7

tensiune la bornele sale este mic : tensiunea colector-emitor la saturaie (VCEsat). Rezistena de ieire R2 este minim, iar curentul este limitat practic numai de rezistena consumatorului, RC ; astfel, punctul M1 este determinat de perechea de valori : (VCE =VCEsat , IC =VP /RC ). Dreapta 1, pe care se afl punctul M1 se numete dreapta de saturaie.

Dreapta 1 mparte zona 1 n dou pri : zona 1a de suprasaturaie, n care tranzistorul nu trebuie adus, pentru c i crete timpul necesar pentru blocare, deci se micoreaz frecvena maxim de comutaie la care va putea fi folosit ;

zona 1b de cvazisaturaie, care reprezint un regim favorabil de funcionare pentru tranzistoarele din convertoarele statice de putere.

M1

M

M 2I C R C

VCEsat VCE PV

M 3

2

3

1a VCB=0

I B=0

I B 4> I B 3

I B 3> I B 2I B 2> I B 1

I B 1> 0

i C

v CE

1b

1

2

PV

I CE0

Fig.2.5. Caracteristica de ieire a tranzistorului bipolar de putere.

n zona 3, tranzistorul este blocat n absena curentului de comand (IB=0)i se comport n circuit ca un ntreruptor deschis : prin el trece un curent foarte mic, ICE0, curent emitor-colector cu baza n gol, iar tensiunea la bornele sale este mare, egal practic cu tensiunea aplicat din exterior, VP . Rezistena de ieire R2 este mult mai mare dect rezistena consumatorului. Astfel, punctul M3 este determinat de perechea de valori : (VCE =VP , IC =ICE0 ).

Dreapta 2 determinat de punctele M1 i M3 se numete dreapta de sarcin, pentru c este determinat de mrimile circuitului de sarcin : tensiunea VP i rezistena consumatorului, RC . Pe aceast dreapt, punctul de funcionare al tranzistorului, n cadrul convertoarelor statice se va afla fie n conducie, n M2 (n zona cvazisaturat) , fie blocat n M3 .

n zona 2, tranzistorul se comport ca un amplificator linear ; este zona activ normal, care nsa nu prezint interes pentru funcionarea convertoarelor statice de putere. Curentul de colector rmne practic constant, pentru un curent de comand dat : IC=hFE IB. Rezistena de ieire este variabil, funcie de curentul de baz i particip la limitarea curentului de colector.

Dispozitive Semiconductoare de Putere

8

2.1.2. Blocarea

Tranzistoarele se blocheaz la dispariia semnalului de comand. Acest lucru se poate realiza n urmtoarele patru moduri :

lsarea bazei n gol; legarea ntre baz i emitor a unei rezistene R; sciurtcircuitarea circuitului baz-emitor; polarizarea invers a bazei la un potenial .

2.2. TRANZISTOARE DARLINGTON

Din cauza factorului de amplificare mic al tranzistoarelor bipolare de putere, pentru comanda unor cureni inteni se consum o energie important i n circuitele de comand. O soluie pentru diminuarea acestui neajuns const n utilizarea unor montaje de amplificare Darlington cu dou sau trei tranzistoare.

- pentru mai multe detalii se va consulta referina menionat

2.3. TRANZISTOARE CU EFECT DE CMP

Tranzistoarele cu efect de cmp utilizate n electronica de putere sunt cele cu poart izolat, numite MOS-FET, IGBT etc. Rolul lor n circuit este acelai cu al tranzistoarelor bipolare.

Avantaje ale tranzistoarelor IGBT fa de cele MOS-FET : de la MOS-FET : comanda n tensiune, viteza de comutaie ridicat i deci pierderi mici n comutaie,parametrii caracteristici puin variabili cu temperatura, rezisten mare de intrare i deci semnal de comand de putere mic, lipsa celei de-a doua strpungeri;

de la tranzistorul bipolar : cderea mic de tensiune n conducie i deci pierderi mici n conducie, pre mic pe unitatea de putere comutat.

- pentru mai multe detalii se va consulta referina menionat

3. TIRISTOARE DE PUTERE

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.

Dispozitive Semiconductoare de Putere

9

Simbolul tiristorului este cel prezentat n Fig.3.1.a.

a) b)

A K+ -G

p nA ++ ++p

J2Kn -

J3J1

G

A K+ -

G

Fig. 3.1.Tiristorul : a) simbolul ; b) structura.

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+.

3.1. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE

n circuite, tiristorul se poate afla n trei situaii (Fig.3.2) : polarizat invers, situaie n care mrimile caracteristice se noteaz cu indicele R (VR i IR), tiristorul este blocat i asigur ntreruperea circuitului (Fig.3.2.a);

polarizat direct i fr tensiune de comand, situaie n care mrimile caracteristice se noteaz cu indicele D (VD i ID), tiristorul este tot blocat i asigur ntreruperea circuitului (Fig.3.2.b);

polarizat direct i cu tensiune de comand, situaie n care mrimile caracteristice se noteaz cu indicele T (VT i IT), tiristorul este n conducie i asigur continuitatea circuitului (Fig.3.2.c);

+ -

v Ti T-D- +

v Ri R

in conductieblocat in directblocat in invers

+

v Di

a) b) c)

Fig. 3.2. Situaiile n care poate fi un tiristor n circuit .

Dispozitive Semiconductoare de Putere

10

3.2. CARACTERISTICILE STATICE

Tiristorul are dou caracteristici statice (notaiile sunt cele utilizate n Fig.3.3):

pentru circuitul de for (Fig.3.3), i=f(v), care reprezint variaia curentului prin tiristor ca funcie de tensiunea la bornele acestuia ;

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

Caracteristica static a circuitului de for

Caracteristica static a circuitului de for are dou ramuri: caracteristica direct, n cadranul unu (notat CI) al planului (i,v) ; caracteristica invers, n cadranul trei (notat CIII) al planului (i,v).

La polarizare direct a tiristorului , dar n absena curentului de comand (IG=0) punctul static de funcionare parcurge poriunea 1, din cadranul CI.

iT

I LI

H

vTI DM

VT0 VDRM VB0IRM

VRRMVBR

I =0G

I =0G

3

1

4

2

VRSM

VDSM

Fig. 3.3. Caracteristica static a tiristorului pentru circuitul de for .

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 :

TTTT irVv += 0 pentru 0TT Vv > (3.1)

Dispozitive Semiconductoare de Putere

11

unde : rT este rezistea dinamic a tiristorului, dat n catalog i definit prin :

t

vr TT dd

= (3.2)

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.

La polarizare invers a tiristorului, acesta se comport ca o diod polarizat

invers, aa cum s-a explicat referina menionat. 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.