CURS CONVERTOARE STATICE

8/9/2019 CURS CONVERTOARE STATICE

1/154

1. INTRODUCERE

1.1. GENERALITĂŢI

Termenul deelectronică este destul de general datorită numeroaselor şidiverselor aplicaţii grupate pe diferite domenii. De faptelectronicareprezintă o parte a fizicii şi implicit a tehnicii care studiază şi utilizează înacelaşi timp variaţiile diferitelor mărimi electrice (câmpuri electromagnetice,curenţi, tensiuni, etc.).

ornind de la această definiţie foarte generală se poate face referire laurmătoarele două mari domenii de aplicaţii!" electronica prelucrării semnalelor care se referă în principal la

modalităţile de tratare şi prelucrare a informaţiei. #e mai numeşteelectronică de reglare şi comandă." electronica de putere care se referă latratarea şi prelucrarea fluxurilor energetice dinspre sursa de energie (reţeaua electrică) cătresistemul de reglare prin intermediul unui eta$ de amplificare.Diferenţa nota%ilă între cele două domenii mai sus amintite este dată dedomeniile de putere aferente acestora, după cum urmează!" câţiva &' sute de ' pentru electronica de reglare şi comandă," sute de ' ' pentru electronica de putere. Sistemele în electronica de putere (#* ) cuprind nu numaiconvertoarelestatice de putereci şi ceea ce numim sarcină (de o%icei o maşină electricăsau o instalaţie electrică), împreună cu dispozitivele de comandă şi controlalături de instrumentele de măsură şi traductoarele aferente.*ste clar că, în cadrul unor asemenea sisteme e+istă legături şi implicitdependenţe legate de concepţia sistemelor automate şi în particular deconcepţia circuitelor de reglare (control).*tapele importante în proiectarea şi realizarea unor asemenea sisteme sunturmatoarele ! modelarea matematică a părţilor componente, alegereaconfiguraţiilor pentru circuitele de comandă şi control, dimensionarea

regulatoarelor şi simularea numerică, în final, a sistemului.Datorită fenomenelor tranzitorii ce apar în diferitele etape de funcţionare ale#* , se impune o adaptare a modelării matematice a acestora în funcţie deetapele parcurse.#chema %loc a unui #* este prezentată în ig. -.-, după cum urmează!

-


2/154

electronica de reglare şi comandă electronica de putere procesul sarcina

ig.-.-! #chema %loc a unui #* .

Terminologie: Reseau d’alimentation – retea de alimentare, Dispositifs de reglage – dispozitive de reglare,(control), Dispositifs de commande – dispozitive de comandă, onvertisseur stati!ue – convertor static,

"arge – sarcină, Dispositifs de protection – dispozitive de protecţie, #rganes de mesure – instrumente demasură, apteurs – traductoare$

Dupa cum se o%servă din ig.-.-, elementul central al #* esteconvertorul staticconectat lareţeaua de alimentare (monofazată ori trifazată)./ntre reţea şi convertor se sta%ileşte ocirculaţie de energie către sarcină(săgeţile negre îngroşate).

De cele mai multe ori sarcina poate fi o maşină electrică ce acţioneazăelemente de lucru mecanice, sau instalaţii electrice convenţionale sauneconvenţionale (celule fotovoltaice, acumulatoare)./ntre aceste elemente e+istădiferite reacţii (liniile punctate) ce sematerializează prin influenţele sarcinii asupra convertorului (căderi detensiune, oscilaţii de curent), prin pertur%aţiile produse de convertor asupra

0


3/154

reţelei su% forma armonicilor de tensiune şi curent, cât şi a unei circulaţii de putere reactivă.

iecare #* cuprindedispozitivele de reglare necesare atât controluluidiferitelor mărimi la nivelul sarcinii cât şi limitarea eventualelor pertur%aţiiîn scopul evitării suprasolicitărilor la nivelul convertorului, respectivsarcinii. 1ceste circuite de control au structuri destul de comple+e la intrareacărora sunt furnizate semnale date deinstrumentele de măsură şitraductoarele inteligente şi specializate./n plus, e+istă şicircuitele de comandă, care acţionează asupra convertoruluistatic. #e poate distinge ocirculaţie de semnalereprezentată prin săgeţicontinue şi su%ţiri pornind dinspre convertor, traversând sarcina,instrumentele de măsură şi a$ungând înapoi la convertor prin dispozitivele dereglare şi comandă. #e formează astfel o %uclă închisă,circuitul de control$ *ste strict necesară prezenţadispozitivelor de protectie care tre%uie săacţioneze rapid în sensul decuplării de la reţea a convertorului static în cazul prezenţei unor scurtcircuite sau suprasarcini./n acest caz semnalele furnizate provin de latraductoarele de tensiune şicurent(liniile punctate)$ /n concluzie, se o%servă că #* prezintă toate caracteristicile unui sistemautomat comple+./n acest sens sunt prezentate în ig. -.0 etapele principale ce tre%uie parcursela proiectarea circuitelor de reglare aferente unui #* .

rima etapă reprezintă alegerea şi dimensionarea convertorului static şi a

comenzii acestuia, adaptată la cerinţele sarcinii. 1legerea nu poate fi facutăindependent de constrângerile statice şi dinamice impuse #* în ansam%lu.2rmează modelarea convertorului static, a circuitelor de comandă şi asarcinii (maşina electrică sau şi mecanică). 3odelarea este indispensa%ilă pentru etapele de configurare a circuitelor de reglare (alegerea structurii),dimensionarea regulatoarelor (determinarea coeficienţilor) şi simulareanumerică.2ltima etapă este constituită din implementarea sistemului (inclusiv pachetele soft dedicate) şi din punerea acestuia în funcţiune.Din acest punct de vedere se impune o simulare în timp real, în careconvertorul static si sarcina sunt anterior inlocuite de simulatoare.1stfel regulatoarele reale (de o%icei realizate cu & sau D# "uri) potinterveni în mod direct asupra simulatoarelor.1cest lucru permite o testare şi o acordare a circuitelor de reglare fără niciun pericol pentru circuitele de forţă.2lterior acestor etape se procedează la punerea în funcţiune a instalaţieireale.

4


4/154

ig.-.0 ! *tapele proiectării circuitelor de reglare aferente unui #* .

Terminologie: "oix et dimensionnement du convertisseur stati!ue – alegerea şi dimensionareaconvertorului static, %odelisation – modelare, onfiguration des circuits de reglage – configurareacircuitelor de reglare, (control), Dimensionnement des regulateurs – dimensionarea regulatoarelor,&imulation numeri!ue – simularea numerică, 'mplementation et mise en service – implementarea şi punerea n funcţiune$

5


5/154

-.0. APLICAŢII ALE SEP ÎN DIFERITE DOMENII

Deoarece #* permit conversia energiei electrice (continuă"continuă,alternativ"continuă şi viceversa, de diferite frecvenţe) cu randament ridicat,flu+ul acesteia putând fi modificat cu instalaţii electronice de comandă de putere redusă, acestea pot fi utilizate în aplicatii din cele mai diverse. /n celece urmează vor fi prezentate câteva din cele mai semnificative aplicaţii ale#* în domenii de mare interes.

1.2.1. Aplicaţii în !"#ni$l p%! $c#%ii &i i'(%i)$i%ii #n#%*i#i #l#c(%ic#

/n ig.-.4 sunt prezentate în mod schematic, câteva aplicaţii ale #* îndomeniul producerii şi distri%uirii energiei electrice.

ig.-.4 ! 1plicaţii ale #* în producerea şi distri%uirea energiei electrice.

1cestea sunt următoarele!(-) e+citarea alternatoarelor sincrone,(0) acţionarea alternatoarelor cu viteză varia%ilă,(4) transmiterea energiei electrice la înaltă tensiune continuă,(5) compensarea statică a puterii reactive,(6) conversia energiei eoliene,(7) conversia energiei solare.

6


6/154

entru aceste aplicatii, puterile instalate sunt cuprinse între ordinul 8' (pt.conversia energiei eoliene sau solare) şi ordinul 3' (pt. celelalte aplicaţii).

(-) /n centralele electrice, alternatoarele sincrone sunt în general e+citatede la convertoare de curent, ceea ce permite o reglare rapidă atensiunii la %ornele acestora şi implicit funcţionarea lor sigură în paralel cu reţeaua de distri%uţie.

(0) /n hidrocentralele de mică şi medie presiune, căderea de apă variazăadeseori destul de mult. entru e+ploatarea optimală a tur%ineihidrocentralei se impune funcţionarea acesteia cu turaţie varia%ilă. /nacest caz se pot utiliza drept alternatoare cu viteza varia%ilă maşiniasincrone cu inele şi rotorul %o%inat. 9ircuitul rotoric este conectat laun convertor direct de frecvenţă care permite o funcţionare su% super sincronă cu o alunecare şi implicit o viteză varia%ilă într"un anumitdomeniu sigur de turaţie în care randamentul tur%inei este cel optim.1cest principiu este aplicat şi pompelor de mare putere cu vitezăvaria%ilă.

(4) 2neori energia electrică este transmisă la înaltă tensiune continuă cua$utorul a două convertoare de curent. 1ceastă soluţie se aplică încazul distanţelor foarte lungi (mii de 8m) sau dacă linia de transmisieeste formată din ca%luri (cazul pasa$elor su%marine).

(5) entru a nu transmite puterea reactivă în liniile trifazate de transmisie,sunt instalate în su%"statiile de putere, compensatoare statice de puterereactivă. 1cestea permit reducerea pierderilor pe liniile de transmisie

şi contri%uie la menţinerea tensiunii constante la punctele deintercone+iune.(6) entru conversia energiei eoliene se utilizează #* , astfel ! elicea

acţionată de vânt antrenează un alternator sincron cu viteză varia%ilă,iar convertorul static de frecvenţă compus din ansm%lul redresor"invertor in$ectează energia electrică în reţeaua de transmisie şidistri%uţie.

(7) *nergia solară este captată de panourile fotovoltaice şi convertită înenergie electrică continuă ce este convertită de un invertor în energiealternativă ce este transmisă în reţea.

1.2.2. Aplicaţii în !"#ni$l $(ili+,%ii #n#%*i#i #l#c(%ic#

9âteva dintre principalele aplicaţii ale #* în domeniul utilizării energieielectrice sunt prezentate în ig.-.5.

7


7/154

ig.-.5! 1plicaţii ale #* în domeniul utilizării energiei electrice.

1cestea sunt urmatoarele!(-) acţionări electrice cu motoare de c.c.,(0) acţionări electrice cu motoare de c.a. (asincrone şi sincrone),(4) aplicaţii în mecatronică (servosisteme, ro%oţi, maşini unelte, etc.),(5) surse ne"intrerupti%ile de alimentare (2 #),(6) pompe cu viteză varia%ilă, iluminat, aparatură electrocasnică, instalaţii

electrice pt. construcţii.2n domeniu foarte important în ma$oritatea sectoarelor industriale este cel alsistemelor de acţionare cu viteză varia%ilă cu motoare de c.c. şi de c.a. (-,0).

uterile instalate aferente acestor sisteme sunt cuprinse între ordinul 8' şiordinul 3'. : categorie particulară de acţionări electrice o reprezintăservosistemele (4) aplicate în domeniile mecatronicii, al ro%oţilor, maşinilor unelte, etc. uterile instalate sunt cuprinse în domeniul '"8'. 2tilizatorii decalculatoare, aparatură medicală sau de maşini pt. fa%ricarea maselor plasticeau nevoie de surse de alimentare ne"intrerupti%ile (5). 1ceste surse conţin unredresor pt. alimentarea acumulatorilor şi un invertor. /n sectorulconstrucţiilor civile #* sunt aplicate la sistemele de acţionare cu pompe de

;


8/154

viteză varia%ilă pt. încălzire (aer conditionat), în sistemele de iluminat şi înutilizarea aparaturii electrocasnice (6). Deşi în acest caz puterile instalatesunt relativ reduse, utilizarea #* contri%uie la economisirea energieielectrice printr"o comandă adaptată şi la reducerea poluării cu armonici areţelelor .

1.2.-. Aplicaţii în !"#ni$l (%a ic$l$i

z şi cea feroviară de

-7 0 4 >z,(4) motoarele de tracţiune de c.a. de pe locomotivele monofazate,(5) su%"staţiile de redresare,(6) motoarele de tracţiune de c.c. de pe locomotivele monofazate,(7) propulsia vehiculelor.

uterile instalate în cazul acestor aplicaţii sunt de la câteva sute de 8' şi până la 3', cu e+cepţia propulsiei vehiculelor unde avem puteri de ordinul

?


9/154

zecilor de 8' ma+im. /n unele state europene (*lveţia, ermania, 1ustria,#uedia şi @orvegia) căile ferate principale au fost electrificate în curentmonofazat (-68A, -7 0 4 >z). De o%icei aceste linii monofazate suntinterconectate cu reţeaua industrială de 6=>z (-,0). 1cest lucru se poaterealiza cu a$utorul grupurilor rotative (-) compuse din alternatoaremonofazate şi din motoare asincrone cu inele (rotor %o%inat) ale căror rotoare sunt direct conectate la convertoare de frecvenţă. 1stfel motoareleasincrone lucrează cu viteză varia%ilă inferioară sau superioară vitezeisincrone, asigurand o cone+iune elastică între cele doua reţele. rupurilerotative a%sor% (datorită energiei cinetice) putere activă (tipic pt. reţeleleferoviare), fără a lucra însă la un randament prea ridicat. Din acest motiv serecurge la soluţia schim%ului de putere în reţelele interconectate prinintermediul convertoarelor directe de frecvenţă (0). 3otoarele de tracţiunede c.a. de pe locomotivele monofazate sunt alimentate de la grupuri deconvertoare statice (ansam%lul redresor"invertor) capa%ile să lucreze în 5cadrane (4), ceea ce permite asigurarea de randamente ridicate la puteri şiviteze mari. /n ranta, #pania, 1nglia, Belgia şi :landa regiile de cale feratăau ales tensiunile de alimentare de -,68A şi sau 48A c.c., pt. căile principale.

entru căile înguste, metrou şi troleC%us se utilizează tensiunile continuecuprinse între 6=="-0==A. entru alimentarea acestor linii se utilizează su%"staţiile de redresare (5) echipate cu redresoare cu diode sau mai modern cuconvertoare de curent în antiparalel care să permită recuperarea energiei defrânare în reţeaua industrială. 1stăzi motoarele de c.c. de tracţiune (6) sunt

alimentate de la variatoare de c.c., iar motoarele de tracţiune de c.a. suntalimentate de la invertoare. 1stfel se poate asigura modificarea forţei detracţiune concomitent cu modificarea vitezei la un randament ridicat. entrucăile ferate de mare viteză se utilizează alimentarea locomotivelor de la liniade frecvenţă industrială şi tensiunea de 06"0;8A. /n ceea ce priveşteautomo%ilul electric (7), alimentarea motoarelor de tracţiune se face prinintermediul variatoarelor de c.c. pentru motoarele de c.c. sau de la invertoare pentru motoarele asincrone. #ursa de energie pe automo%il o reprezintă %ateriile (reîncărca%ile) sau pilele de com%ustie.

1.-. PROCESOARE /I CON0ERTOARELOR DE PUTEREentru un studiu aprofundat în electronica de putere se impune considerarea

unei scheme referitoare la procesorul de putere, în funcţie de mărimile(forme de undă şi frecvenţă) de intrare şi ieşire, după cum rezultă din ig.-.7.


10/154

ig. -.7! #chema %loc a procesorului de putere.

Terminologie: 'nput – intrare, onverter – convertor, nerg* storage element – element de stocare aenergier, #utput – ieşire, +o er processor – procesor de putere$

/n ma$oritatea cazurilor, mărimile de intrare sunt preluate de la sursa de putere (de o%icei reţeaua electrică). /n funcţie de aplicaţiile în care suntutilizate, mărimile de ieşire aferente sarcinii ieşirii ( ig.-.7.) pot aveaurmătoarele forme de undă (tensiune, curent)!-. forme de undă continue (c.c.)a) cu amplitudini constante, %) cu amplitudini varia%ile (regla%ile).0. forme de undă alternative (a.c.)a) cu frecvenţă constantă şi amplitudine varia%ilă (regla%ilă), %) cu frecvenţă şi amplitudine varia%ile (regla%ile)./n acest ultim caz formele de undă pot fi monofazate sau trifazate. /nma$oritatea #* circulaţia fluxului de energie se face dinspreintrare (sursade putere) spreieşire (sarcină). *+istă şi sisteme în care circulaţia de putereeste reversi%ilă (dinspre sarcină spre sursă), acest lucru depinzând de procesul respectiv. rocesul dereversi-ilitate presupune următoarele!" o sursă estenereversi-ilă atunci când impune o circulaţia de putere cenu"şi schim%ă sensul. /n acest sens sursa este cu circulaţieunidirecţională." o sursă estereversi-ilă atunci când permite o circulaţie de putere ce

poate să"şi shim%e sensul. /n acest sens sursa este cu circulaţie-idirecţională. Dacă ne raportăm la sistemul de a+e tensiune"curent,corespunzător părţii de c.c. a unui convertor, se poate afirma că acesta funcţionează ntr.un singur cadran al planului electric dacă permitecirculaţia puterii numai într"un singur sens sau că funcţionează n două,respectiv patru cadrane dacă permite inversarea sensului de circulaţie al puterii electrice.

-=


11/154

Sursa electrică de putere este un element capa%il să furnizeze drept mărimide ieşire tensiunea, respectiv curentul. /n acest sens, se disting două tipuri desurse!• surse de tensiune capa%ile să impună la ieşire o

tensiune constantă. Datorită imposi%ilităţii fizice de modificare %ruscă atensiunii la %orne,condensatorul poate fi considerat sursă de tensiune.• surse de curentcapa%ile să impună la ieţire uncurent constant. Datorită imposi%ilităţii fizice de modificare %ruscă acurentului ce o traversează,-o-ina poate fi considerată sursă de curent.De asemenea, pentru fiecare din tipurile de surse mai sus amintite, se distingurmătoarele !• surse continue care impun o tensiune sau un curent a căror polaritatesau sens de circulaţie rămân constante E• surse alternative care impun o tensiune sau un curent a căror polaritate sau sens de circulaţie variază în mod periodic./n sensul celor de mai sus, în ig. -.; se prezintă modificarea naturii sursei.

ig. -.; ! 3odificarea naturii unei surse.

Terminologie: &ource de tension – sursă de tensiune, &ource de courant – sursă de curent, / e – tensiunea sursei, 0 – inductanţa -o-inei, – capacitatea condensatorului$

--


12/154

#e o%servă următoarele! la sursa iniţială de tensiune/ e dacă se înseriază o %o%ină de inductanţă 0, ansam%lul/ e 0 devine o sursă de curent. Dacă, încontinuare plasăm in paralel condensatorul de capacitate , ansam%lul/ e 0 devine o sursă de tensiune$

roprietatea inductanţelor şi a condensatoarelor de a modifica natura surseieste des utilizată în aplicaţii.Convertoarele electronice de putere numite şiconvertoare staticesuntmodule de %ază ale #* care pot vehicule puteri electrice de la zeci de ' lazeci de 3'.De fapt convertorul electronic de putereeste un echipament plasat între sursa de energie electrică şi unul sau mai mulţireceptori având rolul de acontrola flu+ul energetic şi de a realiza în acelaşi timp conversia statică princare se modifică anumite caracteristici sau parametri ai energiei, cum ar fi!mărimea şi forma de undă a tensiunii, natura curentului, numărul de faze,frecvenţa, etc. /n sopul adaptării acestora la cerinţele sarcinii.9onversia statică a energiei electrice se realizează prin remodelarea undelor tensiunii.1stfel, din tensiunea de intrare (aplicată la intrarea convertorului) cuamplitudinea/ i , frecvenţa f i şi numărul de fazemi , se o%ţine la ieşireaconvertorului de tensiune o altă formă cu amplitudinea/ e , frecvenţa f e şinumărul de fazeme$ 1ceastă nouă construcţie a formelor de undă se o%ţine cu a$utorul unor elemente de comutaţie electronice ( s itc"es. ntreruptoare statice) care pot

întrerupe sau pot realiza continuitatea unei ramuri de circuit.1ceste comutatoare electronice se mai numesc şiventile electronicesaudispozitive semiconductoare de putere. 9omform ig. -.?, structura unui convertor electronic de putere cuprindeurmătoarele două părţi!• circuitul de forţă! realizat cu dispozitive semiconductoare de putereşi cu alte elemente de circuit cum ar fi condensatoarele şi %o%inele cu rol defiltrare şi protecţieE• circuitul de comandă şi control ! furnizează semnalele de comandă pentru dispozitivele semiconductoare de putere reglând şi controlândanumite varia%ile din sistem. 1ceste circuite pot implementa funcţii de protecţie asociate părţii de forţă.9ând comanda şi controlul sunt realizate cu a$utorul calculatoarelor de proces sau 9, vor%im de o comandă control inteligent.1stăzi, cu a$utorul procesoarelor digitale de semnal (D# ) şi alcalculatoarelor, comanda poate fi efectuată în timp real.

-0


13/154

ig. -.?! #tructura convertorului electronic de putere.

/n electronica de putere, noţiunea decomutaţie are un sens mai larg decâtsimpla trecere din starea de %locare în cea de conducţie şi viceversa aventilelor electronice. Sensul extins al comutaţiei semnifică trecereacurentului electric de pe o ramură de circuit pe o altă ramură ca efect al schimbării stării de conducţie a dispozitivelor semiconductoare de puterede pe cele două ramuri. /n acest sens putem evidenţia următoarele douătehnici de comutaţie!• Comutaţia naturală! la care trecerea curentului de pe o ramură pe oaltă ramură de circuit se facenatural (de la sine) după deschiderea unuidispozitiv aflat pe ramura care urmează să preia curentul su% FF presiunea uneitensiuni de comutaţie. *ste tipul de comutaţie utilizată în structurile deforţă realizate e+clusiv cu dispozitive semiconductoare de putere fărăcapacitate de %locare (diode, tiristoare, triace). Deoarece aceste dispozitive,odată aduse în conducţie, nu pot întrerupe singure curentul pe o ramură decircuit, pentru a comuta curentul se recurge la o tehnică de deviere. 1ceastaconstă în crearea unei diferenţe de potenţial de către tensiunea de comutaţiecare să a$ute la diminuarea curentului de pe ramura prin care a circulat şi lacreşterea valorii acestuia pe noul traseu. Dacă tensiunea tensiunile decomutaţie sunt alternative, procesul de comutaţie a curentului între două sau

-4


14/154

mai multe ramuri de circuit poate avea loc ciclic (se repetă periodic). Dinacest motivcomutaţia naturală poate avea loc numai n structurile de forţăconectate la tensiuni alternative, iar perioada de repetiţie este cea a acestor tensiuni.•

Comutaţia forţată! la care trecerea curentului de pe o ramură pe altăramură de circuit se face forţat prin %locarea dispozitivului de pe ramurainiţială. De e+emplu, într"un circuit cu inductanţe, curentul nu poate fi %ruscîntrerupt prin acestea. 1stfel, în momentul opririi forţate a curentului într"o %uclă de circuit inductanţa cautăo ramură de descărcare pentru întreţinereacirculaţiei curentului până ce este descărcată toată energia acumulată încâmpul său electromagnetic. rocesul de comutaţie forţată are loc între oramură ce conţine un dispozitiv semiconductor cu capacitate de %locare(tranzistor de putere) şi o ramură ce conţine odiodă de descărcaresau derecuperare. 1ensiunea de alimentare a structurilor de forţă ce funcţionează

n comutaţie forţată poate fi şi continuă$e lângă funcţiile de %ază mai sus prezentate, circuitele de comandă mai pot

avea şi alte funcţii, cum ar fi! separarea galvanică, comunicaţia cu structurade control a convertorului static, protecţia la diferite pertur%aţii care potapare în aria pe care o gestionează, etc.

1. . CLASIFICAREA CON0ERTOARELOR STATICE

rincipalele criterii de clasificare ale convertoarelor statice (9#) sunturmătoarele!

" tipul comutaţiei folosite în structura de forţă," tipul conversiei realizate," e+istenţa sau nu a separării galvanice între intrare şi ieşire," natura sarcinii şi tipul de filtru utilizat la ieşire," rolul convertorului şi posi%ilitatea reglării ieşirii," numărul de cadrane în care funcţionează.

: clasificare mai precisă poate fi o%ţinută dacă se ia în consideraretipul2modalitatea de comutaţie a dispozitivelor din structura de forţă.9onform acestui criteriu pot evidenţiate următoarele clase de convertoare!a) Convertoarele cu comutaţie naturala utilizează dispozitivesemiconductoare de putere ce nu pot fi %locate prin comandă! tiristoare(cazul convertoarelor comandate) sau diode (cazul convertoarelor necomandate). rocesul de-locare se %azează pe fenomenul de comutaţienaturală a curentului ce este practic implementat la intrarea sau ieşireaconvertorului când una dintre ele este conectată la o tensiune alternativă. /ncazul acestor convertoare posi%ilităţile de conversie sunt! alternativ"

-5


15/154

continuu, continuu"alternativ şi alternativ"alternativ. /n cazul în care acesteconvertoare sunt conectate la reţeaua de c.a., denumirile pe care le poartăsunt convertoare de linie(line.fre!uenc* converters)sau convertoare cucomutaţie de la reţea. Deoarece la aceste convertoare frecvenţa de lucru pentru diode şi tiristoare are valori $oase şi fi+ate de tensiunea reţelei,filtrarea tensiunilor şi curenţilor se realizează cu a$utorul unor filtreimportante ce determină creşterea ga%aritului, masei şi implicit a costurilor. %) Convertoarele cu comutaţie forţată utilizează dispozitivesemiconductoare de putere controla%ile ce pot fi puse în conducţie %locare prin comandă. 1ceasta (comanda) realizează comutaţia forţată a curentuluice comută de fiecare dată în sarcină, permiţând sau întrerupând circulaţiaunui curent diferit de zero printr"o ramură de circuit. /n acest caz putemvor%i despre ocomutaţie în sarcină (s itc".mode) a dispozitivelor semiconductoare de putere. Deoarece frecvenţa de lucru a elementelor decomutaţie este mult mai mare decât frecvenţa reţelei, ga%aritul şi masaacestei clase de convertoare sunt cu mult mai reduse decât cele aleconvertoarelor cu comutaţie naturală. /n ciuda frecvenţei înalte de lucru asemiconductoarelor de putere, la ieşirea convertorului se o%ţin tensiunicontinue sau tensiuni alternative cu o frecvenţă compara%ilă cu cea a reţelei.De o%icei această categorie de convertoare funcţionează cu tensiune deintrare continuă având la ieşire tot o tensiune continuă(conversie continuu.continuu)sau o tensiune alternativă(conversie continuu.alternativ). Datorităavanta$elor pe care le prezintă, în prezent, convertoarele cu comutaţie forţată

sunt tot mai utilizate în dauna celor cu comutaţie naturală. 1stfel, în cazulconversiei alternativ"continuu se pot construiredresoare active care nuintroduc pertur%aţii în reţelele de alimentare cu energie electrică.c) Convertoarele rezonante –utilizează dispozitive semiconductoare celucrează la frecvenţe foarte mari (sute de 8>z"3>z), realizând aşa numitacomutaţie uşoară(self.s itc"ing), aproape fără pierderi. 9omutaţia uşoară serealizează cu a$utorul unorcircuite rezonante atunci când, fie tensiunea pedispozitiv(zero voltage s itc"ing), fie curentul prin acesta se anulează(zerocurrent s itc"ing), fie am%ele varia%ile devin zero. 1stfel, pierderile îndispozitivele semiconductoare în timpul comutaţiei tind spre zero. 1cesteconvertoare pot realiza conversiile continuu"continuu şi continuu"alternativale energiei electrice.2n alt criteriu foarte important de clasificare a convertoarelor este acela altipului conversiei. /n acest sens, se pot identifica următoarele patru tipuri deconversii electrice posi%ile!• conversia alternativ"continuu (redresare),

-6


16/154

• conversia continuu"alternativ (inversare),• conversia continuu"continuu,• conversia alternativ"alternativ.#inteza acestor tipuri de de conversii electrice este reprezentată în ig.-. .

ig. -. ! Tipurile de convertoare în funcţie de tipul conversiei electrice.

ornind de la shema anterior figurată, se pot evidenţia următoarele clase deconvertoare!

. !edresoarele! permit conversia energiei electrice alternative în energiecontinuă (c.a."c.c.). 1ceastă conversie se poate realiza printr"o modalitatenecontrolată sau controlată. 9onversianecontrolată se realizează cu a$utorulredresoarelor necomandate a căror structură de forţă este realizată numai cudiode de putere, fiind caracterizate prin tensiunea medie cvasiconstantă, camărime de ieşire (/ e). 9onversia controlată este realizată cu a$utorulredresoarelor semicomandate (cu diode şi tirirstoare) saucomplet comandate (cu tiristoare sau tranzistoare) şi are drept rezultat la ieşirearedresorului o tensiune continuă regla%ilă în amplitudine/ e 3. Geprezentarearedresorului este indicată în ig. -.-=.

ig. -.-=! #chema %loc a redresorului.

#e o%servă că shema prezentată poate avea o funcţionare %idirecţională! ceade redresor (linia continuă) şi cea de invertor (linia punctată) caracterizată de

-7


17/154

prezenţa la ieşire (pe partea de c.c.) a unei sarcini active (ce conţine o sursă proprie de c.c.). uncţionarea %idirecţională este caracteristică numairedresoarelor semi şi complet comandate. Gedresoarele cu diode şi tiristosrefuncţionează în comutaţie naturală, iar cele cu tranzistoare în comutaţieforţată.". #nvertoarele! permit conversia energiei electrice continue în energiealternativă (c.c."c.a.). Geprezentarea schematică a invertorului este dată în

ig.-.--.

ig.-.--! #chema %loc a invertorului.

Dacă partea de c.a. a invertorului este legată la reţeaua de distri%uţie aenergiei electrice şi acesta este realizat integral cu tiristoare, invertorul seconfundă cu redresorul comandat funcţionând înregim de invertor , şi estedenumit invertor cu comutaţie naturală sau invertor cu comutaţie de lareţea. Dacă partea de c.a. a invertorului este independentă de reţeaua dedistri%uţie a energiei electrice sau de orice altă sursă, furnizând la ieşire o

tensiune alternativă proprie cu o anumită valoare efectivă, frecvenţă şi unanumit număr de faze, acesta este uninvertor independent sau autonom.artea de forţă a acestor invertoare este realizată cu a$utorul dispozitivelor

semiconductoare controla%ile (39T"uri, T:"uri, etc.) şi aunor diode rapide(de descărcare sau de fugă). Ha rândul lor, invertoarele autonome potfuncţiona în comutaţie forţată (invertoare cu undă plină, invertoare 3H


18/154

frecvenţă de comutaţie sau delucru a convertorului. Datorită acestui fapt,aceste convertoare se numesc şic"opper.e. 2nele convertoare c.c."c.c.funcţionează după principiul convertoarelor rezonante. : clasificare sumarăa convertoarelor c.c."c.c. este următoarea!•

c!n #%(!a%# c.c.3c.c. c!)!%4(!a%# # (#n'i$n#(step do n),• c!n #%(!a%# c.c.3c.c. %i ic,(!a%# # (#n'i$n#(step.up).Ha rândul lor, fiecare dintre aceste convertoare pot fi!

c!n #%(!a%# c.c.3c.c. ,%, '#pa%a%# *al anic,5 nu izoleazăelectric ieşirea de intrarea convertorului. #chema %loc a acestor tipuri deconvertoare este este dată în ig. -.-0.

ig. -.-0! #chema %loc a convertoarelor c.c."c.c. fără separare galvanică.

1ceste convertoare sunt utilizate în acţionările electrice regla%ile cu motoarede c.c. din următoarele motive!

" prezintă la ieşire o tensiune continuă regla%ilă/ e 3 ce provine dintr"otensiune considerată constantă aplicată la intrareE

" au capa%ilitatea funcţionării în unul, 0 sau 5 cadrane.c!n #%(!a%# c.c.3c.c. c$ '#pa%a%# *al anic,5izolează electricieşirea de intrarea convertorului cu a$utorul unor transformatoare de înaltăfrecvenţă. 1stfel, se pot reduce ga%aritul şi masa convertorului. #chema %loca acestor tipuri de convertoare este este dată în ig. -.-4.

ig. -.-4! #chema %loc a convertoarelor c.c."c.c. cu separare galvanică.

După cum rezultă din ig.-.-4, convertorul c.c."c.c. cu separare galvanicăeste un ansam%lu format dintr"un invertor independent şi un redresor. /ntre

-?


19/154

aceste două convertoare se aflăcircuitul intermediar de c$a$ în care esteintegrattransformatorul de naltă frecvenţă. 1stfel, acest tip de convertor seîncadrează în categoriaconvertoarelor cu fază intermediară de conversie şieste unidirecţional . 3a$oritatea aplicaţiilor în care sunt utilizate acesteconvertoare o reprezintă sursele de putere n comutaţie (folosite pentrualimentarea aparaturii electronice"audio, video, calculatoare, aparate demăsură). Datorită faptului că tensiunea continuă de la ieşirea acestor sursetre%uie să fie sta%ilizată, în condiţiile în care apar variaţii ale tensiuniicontinue de la intrare, sursele de putere n comutaţie tre-uie să fie sta-ilizate.). 'ariatoarele de tensiune alternativă &convertoare c.a.%c.a.(! permitconversia energiei electrice de c.a. tot în energie de c.a., prin aceastăconversie fiind modificată numai valoarea efectivă a tensiunii alternative. /nacest caz, frecvenţa şi numărul de faze de la ieşirea variatorului sunt aceleaşicu cele de la intrarea acestora. #chema %loc a acestui tip de variator este prezentată în ig.-.-5.

ig. -.-5! #chema %loc a variatorului de tensiune alternativă.

1spectele structurii de forţă ale acestui tip de convertoare prezintăurmătoarele particularităţi!" poate fi realizată cu tiristoare sau triace (amorsate cu întârziere), caz

în care la ieşirea variatorului avem doar porţiuni ale semialternanţelor tensiunii alternative aplicată la intrareE

" poate fi realizată şi cu dispozitive semiconductoare controla%ile(tranzistoare), caz în care valoarea efectivă a tensiunii de ieşire poatefi modificată (controlată) printocarea tensiunii sinusoidale de intrare.

*. Convertoarele de frecvenţă! permit conversia energiei electricealternative tot în energie alternativă (c.a."c.a.) prin care sunt modificatefrecvenţa tensiunii alternative, valoarea efectivă a acesteia şi chiar numărulde faze. #chema %loc a convertorului este prezentată în ig. -.-6.

-


20/154

ig. -.-6! #chema %loc a convertorului de frecvenţă.#e pot pune în evidenţă următoarele două modalităţi privind realizareaconversiei de frecvenţă!conversia directăşi conversia indirectă$ /n funcţiede aceste modalităţi de conversie a frecvenţei, convertoarele pot fi!• Convertoarele directe de frecvenţă! permit sintetizarea unui sistem deunde alternative direct din tensiunile armonice aplicate la intrareaconvertorului. 9onversia directă constă în preluarea unor porţiuni desinusoidă din tensiunile fazelor de alimentare (de o%icei fazele sistemuluitrifazat) aşa fel încât, puse cap la cap, să genereze forme de undă alternativea căror armonică fundamentală să prezinte amplitudinea şi frecvenţa dorite./n sensul celor anterior afirmate, algoritmii de comandă ai dispozitivelor semiconductoare pentru preluarea celor mai convena%ile fragmente desinusoide ale tensiunii de alimentare şi minimizarea conţinutului de armonici

din tensiunea de ieşire sunt deose%it de complecşi. rincipalele tipuri deconvertoare de frecvenţă sunt următoarele!" cicloconvertoarele sunt acele convertoare ce funcţionează în

comutaţie naturală fiind formate din punţi transversale cu tiristoare.Tiristoarele sunt comandate cu diferite întârzieri pentru preluarea porţiunilor dorite de sinusoidă. entru o conversie de calitate serecomandă ca frecvenţa ma+imă a undelor alternative sintetizate decicloconvertor să fie su% $umătatea frecvenţei reţelei. Din acest motiv,cicloconvertoarele sunt utilizate în acţionările electrice regla%ile de puteri foarte mari (-==8'"-=3') şi turaţii reduse, de o%icei cumotoare sincrone.

" convertoarele matriciale sunt acele convertoare care funcţionează încomutaţie forţată utilizând componente semiconductoare de comutaţie %idirecţionale grupate în comutatoare de putere care pot comutacurentul în am%ele sensuri prin ramurile de circuit legate într"o reţeade tip matricial.

• Convertoarele de frecvenţă cu circuit intermediar de c.c.! sunt formatedintr"un ansam%lu redresor"invertor autonom prevăzut cu un circuitintermediar de c.c. format dintr"un filtru capacitiv sau capacitiv"inductiv.

#chema %loc a unui asemenea convertor este prezentată în ig. -.-7.

0=


21/154

ig. -.-7! #chema convertorului de frecvenţă cu circuit intermediar de c.c.lu+ul de energie este %idirecţional, astfel încât energia recuperată de la

sarcina activă este transferată prin invertor circuitului intermediar de c.c. şiapoi preluată deredresorul -idirecţional şi transmisă sursei (reţelei) de c.a.1ceastă structură de convertor este utilizată în acţionările electrice cu pornirişi opriri dese, unde energia electrică recuperată este mare astfel încâtcosturile recuperate de pe urma ei compensează investiţia în redresorul %idirecţional. /n aplicaţiile o%işnuite, în care sunt utilizateredresoarele

unidirecţionale (necomandate cu diode), energia electrică recuperată deinvertor va fi acumulată în filtrul capacitiv al circuitul intermediar.Deoarece, în acest caz, tensiunea la %ornele filtrului creşte foarte repede putând determina străpungerea condensatoarelor, se recurge la introducereaîn circuitul intermediar a unui element disipativ (de o%icei o rezistenţă defrânare).

2. DISPO6ITI0E SEMICONDUCTOARE DEPUTERE

2.1. GENERALITĂŢI

Dispozitivele semiconductoare de putere sunt elemente de %ază alecircuitelor de forţă ale convertoarelor statice şi lucrează înregim decomutaţie (elemente de comutaţie). /n acest sens, funcţionarea lor este

caracterizată de două stări sta%ile!starea de conducţie(:@) când este permisă circulaţia curentului electric prin ramura de circuit, ideal, fără nici ocădere de tensiune pe dispozitiv şistarea de blocare (: ) când circulaţiacurentului este total întreruptă./n funcţie de modul în care pot fi controlate, dispozitivele semiconductoarede putere pot fi clasificate în trei mari categorii!

0-


22/154

-. +ispozitivele necontolabile &diodele de putere(" la care starea deconducţie sau %locare este dictată de modul în care sunt polarizate în circuit. @u au decât două terminale, fără teminal de comandă.0. +ispozitivele cu amorsare controlată &tiristoarele şi triacele( %la careintrarea în conducţie se face în starea de polarizare directă prin comandaîntre grilă şi catod cu un impuls scurt de curent. 1u trei terminale de forţă!anod (I), catod (") şi grilă (de comandă). : dată amorsată conducţia,dispozitivul rămâne în această stare chiar şi în a%senţa impulsului decomandă pe grilă. Blocarea este realizată de circuitul de forţă prin întrunireacondiţiilor de %locare! polarizarea inversă la %ornele semiconductorului şianularea curentului prin acesta.4. +ispozitivele controlabile la care conducţia şi %locarea suntrealizate prin circuite de comandă. z).

tranzistoarele bipolare cu grila izolată(< BT"InsulatedGate 7 ipolar Transistor) sunt tranzistoare hi%ride rezultate drept com%inaţie întretranzistorul %ipolar de putere (suportă curenţi mari cu pierderi reduse) şitranzistorul 3:# *T (frecvenţe relativ mari de comutaţie"zeci de 8>z). Haora actuală sunt cele mai utilizate dispozitive semiconductoare în aplicaţiilede putere (zeci de 3').

00


23/154

tiristoarele controlate ,-S (39T" M:# Contrlled ThCristor) suntalcătuite din mii de celule identice conectate în paralel, fiecare celulăimplementând o com%inaţie dintre un tiristor şi două tranzistoare 3:# *T./n ig. 0.- sunt prezentate cele două variante simplificate de sim%oluri

pentru dispozitivele semiconductoare de putere!a) sim%olul unui contact electric asemănător cu cel al unui releu saucontactorE %) sim%olul ce pune în evidenţă caracteristica de conducţie unidirecţionalăacurentului prin dispozitiv (săgeata contactului). @otaţiile utilizate sunt!T dispozitivul semiconductor,iT curentul de conducţie (care stră%ate dispozitivul),uT sau vT căderea de tensiunea la %ornele dispozitivului în starea deconducţie a acestuia.

ig. 0.-! #im%olurile simplificate ale dispozitivelor semiconductoare de putere.

Geprezentarea %) este cea mai utilizată./n ig. 0.0. sunt reprezentatecaracteristicile ideale de conducţie şi blocare specifice elementelor de comutaţie în electronica de putere.

04


24/154

ig. 0.0! 9aracteristicile ideale de conducţie şi %locare ale elementelor decomutaţie în electronica de putere.

Din figură rezultă următoarele caracteristici!• aracteristica de -locare directă se o%ţine atunci când dispozitivul %lochează tensiuni directe (pozitive). Ha %locarea directă nici un curent nucirculă prin dispozitivul semiconductor.• aracteristica de conducţie directăse o%ţine atunci când dispozitivulse află în conducţie totală preluând un curent pozitiv dat de o tensiune de polarizare directă. 9ăderea de tensiune pe dispozitivul semiconductor înconducţie este zero.• aracteristica de -locare inversăse o%ţine atunci când dispozitivul %lochează tensiunile inverse (negative). /n această stare nici un curent nucirculă prin dispozitiv.• aracteristica de conducţie inversăse o%ţine atunci când dispozitivul poate conduce şi curenţi inverşi, negativi. 1ceastă caracteristică estespecifică dispozitivelor %idirecţionale.Geferitor la caracteristicile ideale de mai sus, se impun următoareleconsiderente!" ma$oritatea dispozitivelor semiconductoare nu pot o%ţine toatecaracteristicile de mai susE" dispozitivele necontrola%ile (diodele) lucrează doar pe 0 caracteristiciuna de conducţie directă şi cealaltă de %locare inversăE" dispozitivele controla%ile (tiristoarele, T:"urile, < BT"urile) prezintă cel puţin 4 caracteristici! caracteristica de conducţie directă şicaracteristicile de %locare directă şi inversăE

05


25/154

" dispozitivul semiconductor este capa%il să %locheze tensiunile inverseşi tensiunile directe, oricare ar fi valorile acestora, atunci când nu estecomandatE" atunci când este comandat, dispozitivul semiconductor conducediferite valoari ale curentului, fără căderi de tensiune la %ornele lui (fără pierderi în conducţie)E" dispozitivul semiconductorcomută instantaneudin starea de %locareîn starea de conducţie şi invers (fără pierderi de comutaţie)E" puterea de comandă pentru menţinerea în starea de conducţie estenegli$a%ilă.Deoarece dispozitivele semiconductoare de putere sunt fa%ricate pentrulimitele ma+ime ale tensiunilor şi curenţilor (parametrii de catalog) ce nu potfi depăşite fără a pune în pericol integritatea pastilei semiconductoare,rezultă faptul că, de fapt,caracteristicile ideale nu pot fi atinse de uncomutator electronic real . De asemenea, caracteristicile dinamice (în regim de comutaţie) aledispozitivelor semiconductoare sunt limitate, rezultă că procesul decomutaţie nu este instantaneu, el având în realitate o viteză finită. 1cestefenomene conduc la apariţia unor pierderi pe toată durata de funcţionare asemiconductorului, pierderi care cresc cu creşterea temperaturii capsulei şidepind de tehnologia de integrare a dispozitivului.2.2. PIERDERILE ÎN DISPO6ITI0ELE SEMICONDUCTOARE

ierderile reprezintă o fracţiune din energia electrică vehiculată prindispozitivul semiconductor şi reţinută de acesta prin transformarea ei încăldură. Ha valori ridicate ale pierderilor, semiconductorul, care are unga%arit relativ redus şi implicit o constantă termică redusă, se poate distrugela creşteri rapide ale temperaturii. 9antitativ, pierderile pot fi e+primate prinenergia reţinută de comutatorul (semiconductorul) electronic pe durata uneisecunde, valoare ce corespunde real puterii medii transformate în căldură. 0nstarea de blocare (directă sau inversă), semiconductorul real se comportă caun comutator ideal, deoarece prezintăcurenţi de scăpări de ordinul 45(practic negli$a%ili) şi implicit din acest motiv pierderile sunt nule. 0n stareade conducţie ( ig.0.-), în semiconductor, apare un curent importanti1 în prezenţa unei tensiuni u1 6 7, ceea ce determină a%so%ţia unei puteriinstantaneede către dispozitiv, dată de relaţia!

( ) ( ) ( )t it ut p 1 1 1 ⋅= (0.-)

06


26/154

uterea instantanee apare atât pe durata tranziţiilor dispozitivului cât şi pedurata procesului de conducţie propriuzis. ierderile aferente procesuluista%ilizat de conducţie poartă denumirea de pierderi în conducţie. /n cazulconvertoarelor rezonante e+istă posi%ilitatea uneicomutaţii uşoare (soft"sKitching), fără pierderi, a dispozitivelor semiconductoare. /n cele ceurmează se va lua în discuţie doar comutaţia de la sarcină deoarece este ceamai sugestivă din punct de vedere al pierderilor şi cea mai întâlnită în practică. /n acest sens, pentru a estima prin calcule pierderile însemiconductoare, vom considera formele de undă idealizate (liniarizate) alecurentuluii1 şi tensiuniiu1 pe durata unui ciclu de funcţionare, reprezentateîn ig. 0.4. 1stfel, laintrarea n conducţie (valori iniţiale u1 8 / d şi i1 8 7 ),curentul creşte de la valoarea zero la valoarea ' d după care tensiunea scadela valoarea de saturaţie/ on iar la -locare (valori iniţiale u1 8 / on şi i1 8 ' d ),întâi va creşte tensiunea de la valoarea/ on la valoarea sursei/ d după carecurentul scade de la valoarea ' d la zero. entru aprecierea generală a pierderilor la nivelul elementului de comutaţie în timpul funcţionării, se vaconsidera ultimul caz mai sus amintit. #emnificaţia notaţiilor din ig. 0.4este următoarea!• t d(on) timpul de întârziere la deschidere (dela* time),• t ri timpul de creştere a curentului (current rise time),• t fv timpul de cădere a tensiunii (voltage fall time),• t c(on) 8 t ri9 t fv timpul de comutaţie la deschidere,• t d(off) timpul de întârziere la %locare,• t rv timpul de creştere a tensiunii,• t fi timpul de cădere a curentului,• t c(off) 8 t rv9 t fi timpul de comutaţie la %locare,• t on timpul de conducţie,• t off timpul de %locare,• 1 c 8 t on 9 t off perioada de comutaţie,• f c 8 21 c frecvenţa de comutaţie.

07


27/154

ig. 0.4! ormele de undă idealizate şi pierderile de pe durata unui ciclu defuncţionare.

9alculul energiilor consumate de către dispozitivul semiconductor pe durataunui ciclu de funcţionare se face simplu cu a$utorul relaţiei ariilorenergie 88 putere L timpM arie.9onform acestor considerente, se pot calcula următoarele energii consumate!" energia de comutaţie la deschidere( aria triunghiului / c&on( )

( ) ( )oncd d onc t ' / ) ⋅⋅⋅=

0

-

. (0.0)

%energia de comutaţie la deschidere( aria triunghiului / c&off( )

( ) ( )off cd d off c t ' / ) ⋅⋅⋅= 0- . (0.4)

0;


28/154

%energia de conducţie( aria dreptunghiului / onav;nd lungimea < t on deoarece t on== t c(on) )

ond onon t ' / ) ⋅⋅= . (0.5)

% energia totală de comutaţie consumată într%un ciclu de funcţionare( ) ( ) ( ) ( )[ ]off concd d off concc t t ' / ) ) ) +⋅⋅⋅=+= 0

- . (0.6)

% pierderile în comutaţie

( ) ( )[ ]off conccd d c t t f ' / + +⋅⋅⋅⋅= 0- . (0.7)

ierderile în comutaţie cresc proporţional cu frecvenţa de comutaţie şi cumărimea timpilor de comutaţie. 1stfel, pentru o%ţinerea frecvenţelor înalte înfuncţionarea convertorului static, în scopul reducerii masei şi ga%arituluiacestuia, se aleg dispozitive semiconductoare rapide şi ultrarapide cu timpide comutaţie foarte mici (e+. tranzistoare 3:# *T).

% pierderile în conducţie

R d onc

ond onond onconcon D ' / 1

t ' / t ' / f ) f + ⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅⋅=⋅= , (0.;)

unde D R 8 t on 21 c estedurata relativă de conducţie.ierderile în conducţie sunt proporţionale cu valoarea căderii de tensiune

(/ on) la %ornele dispozitivului semiconductor, cu valoarea curentului ( ' d ) prinacesta şi cu mărimea intervalului de conducţie relativ la durata ciclului defuncţionare D R . entru ca semiconductorul să poată prelua un curent câtmai mare fără să depăşească o anumită valoare a pierderilor de conducţie,tre%uie să fie caracterizat de o cădere de tensiune cât mai mică (e+.tranzistorul BJT).

%pierderile totaleonctot + + + += .

(0.?)

1ceste pierderi sunt limitate de capacitatea de cedare a căldurii aansam%lului pastilă semiconductoare radiator (element de răcire) şi detemperatura ma+imă la care dispozitivul poate lucra fără a se distruge

0?


29/154

termic. 1ceastă temperatură este indicată în cataloagele firmelor producătoare de semiconductoare.

2.-. CONECTAREA ÎN SERIE /I PARALEL A DISPO6ITI0ELOR

SEMICONDUCTOARE DE PUTERE#e recurge la conectarea în serie şi paralel a dispozitivelor semiconductoareîn aplicaţiile de puteri ridicate şi foarte ridicate.Dacătrebuie blocate tensiuni înalte se va recurge laconectarea în serie( ig. 0.5).

ig. 0.5! 9onectarea în serie a dispozitivelor semiconductoare.a) fără rezistenţele de echili%rare a tensiunilorE %) cu rezistenţele de echili%rare a

tensiunilor./n acest caz mai multe dispozitive semiconductoare sunt înseriate pentru asu%stitui un singur element de comutaţie. @umărul componentelor înseriatedepinde de tensiunea de lucru şi de tensiunile ma+ime de catalog pentru %locarea directă şi inversă a dispozitivelor alese. /n acest sens se are învedere uncoeficient de siguranţă astfel încâttensiunea maximă ce poateapare pe fiecare dispozitiv din structura serie să fie de cel puţin două orimai mică dec;t valoarea maximă de catalog . 1cest coeficient de siguranţăasigură o rezervă de tensiune suficientă pentru acoperirea căderilor de

0


30/154

tensiune diferite de pe fiecare dispozitiv în parte, în regim static de %locare şiîn regim dinamic. Geferitor la ig. 0.5, se pot face următoarele considerente!" datorită dispersiei de fa%ricaţie a dispozitivelor semiconductoare,impedanţele acestora în regim static de %locare sunt diferite, situaţie în carese a$unge la o distri%uţie inegală a tensiunii de lucru pe calen dispozitiveînseriate (u1 6 u1> 6$$$$$$$$$$$$6 u1n ), conform ig.0.5aE" datorită unor caracteristici dinamice diferite şi implicit a unor nesincronizări ale comenzilor, dispozitivele înseriate nu comută simultan.1stfel, e+istă posi%ilitatea străpungerii dispozitivului care a reacţionatultimul la deschidere şi a celui care a reacţionat primul la %locare. /n acestsens se impune un control atent (performant) al regimurilor dinamice deintrare ieşire din conducţie." pentru evitarea situaţiei ca un dispozitiv să preia o tensiune mult maimare decât celelalte din structura serie, se utilizează rezistenţe egale devalori ridicate ( Rd1 8 Rd1 8 $$$$$$$$$$$$$$ 8 Rd1 ), conectate în paralel cudispozitivele semiconductoare ( ig. 0.5%). /n acest caz, se recomandă cavaloarea ridicată a fiecărei rezistenţe conectate în paralel să fie mai micădecât rezistenţa echivalentă a dispozitivului %locat." prin respectarea condiţiei mai sus enunţate, se impune echili%rareatensiunilor pe dispozitivele semiconductoare prin respectarea relaţiei

u1 8 u1>8$$$$$$$$$$$$$$$$$$$8 u1n 8 u1 2 n, (0. )

undeu1 este tensiunea de lucru la care funcţionează dispozitivul echivalentformat din celen dispozitive înseriate.Conectarea în paralela dispozitivelor semiconductoare de putere seutilizează în aplicaţiile de curenţi mari şi foarte mari (tracţiune electrică,laminare, electroliză, etc.). /n ig. 0.6 este prezentată această structură deconectare, care permite distri%uirea curentului pe celen dispozitive în paralel, conform relaţiei!

i1 8 i 1>8$$$$$$$$$$$$$$$$$$$8 i1n 8 i1 2 n, (0.-=)undei1 este curentul ce tre%uie preluat de elementul de comutaţie echivalent,

n cazul ideal .

4=


31/154

ig. 0.6! 9onectarea în paralel a dispozitivelor semiconductoare.a) fără rezistenţele de echili%rare a curenţilorE %) cu rezistenţele de echili%rare a

curenţilor.

?n cazul real , datorită caracteristicilor de conducţie diferite a celorndispozitive semiconductoare legate în paralel, curentul în regim static defuncţionare nu se distri%uie în mod egal prin ramurile de circuit. *+istă astfeldispozitive încărcate mai mult şi altele mai puţin. Dacădispozitivele utilizateau coeficienţi negativi de temperatură (e+. tranzistoarele 3:# *T), atuncidispozitivul cel mai încărcat se va încălzi cel mai mult, fapt ce va determinao scădere a rezistenţei de conducţie a acestuia şi implicit o creştere şi maimare a curentului prin semiconductor. 1pare deci o reacţie pozitivă cedetermină, în acest caz, distrugerea dispozitivului. Din acest punct de vederese recomandă, pentru conectarea în paralel, utilizarea dispozitivelor cucoeficienţi pozitivi de temperatură (e+. tranzistoarele BJT), deoarece astfelcurentul se autoechili%reză prin ramurile paralele. /nregim dinamic structura paralelă prezintă următoarele riscuri!" datorită caracteristicilor dinamice diferite, e+istă posi%ilitatea cadispozitivul cel mai rapid să preia curentul total de sarcină la deschidere , iar cel mai lent să preia curentul total la %locareE" la deschidere, îndată ce dispozitivul cel mai rapid a intrat în conducţie,tensiunea pe acesta şi implicit pe celelalte dispozitive începe să scadă rapid,încetinind şi mai mult intrarea acestora în conducţie. 1vând în vedereriscurile prezentate, se impune luarea următoarelor măsuri de protecţie!" ma$orarea curentului ma+im de regim permanent prin luarea înconsiderare a unui coeficient de paralelism cu valoarea de -,0E

4-


32/154

" utilizare unor rezistenţe R s ( ig. 0.6%) sau a unor siguranţe fuzi%ile desimetrizare care să echili%reze curentul în regim static de funcţionare pe celen ramuri de circuitE" utilizarea unor inductanţe de simetrizare cuplate necuplate magneticcare să echili%reze curentul în regim dinamic, pe ramurile paraleleE" sincronizarea şi forţarea comenzilor de deschidere %locare a celorndispozitive legate în paralel pentru o%ţinerea simultaneităţii în comutaţie aacestora.

2. . DIODA DE PUTERE

Dioda de putere este un dispozitiv semiconductor, de %ază, fără de care nu pot fi realizate marea ma$oritate a sistemelor în electronica de putere. /nfuncţie de performanţele specifice şi cerinţele de utilizare, se întâlnescurmătoarele tipuri de diode!" diodele redresoare sunt lente, fiind utilizate la frecvenţele $oase alereţelelor de alimentare. erformanţele de funcţionare sunt date de! tensiunilemari de lucru (de peste 78A), căderea mică de tensiune în starea deconducţie (în $ur de -A), pierderi mici în conducţie şi posi%ilitatea preluăriiunor curenţi foarte mari (curenţi nominali de până la 4,681). 1plicaţii!redresoarele necomandate şi semicomandate conectate la reţeaua dedistri%uţie a energiei electrice." diodele de comutaţiesunt rapide fiind destinate convertoarelor cu

comutaţie forţată. Golul lor este de a deschide căi de descărcare pentruenergiile acumulate în inductanţe comutate. Din acest motiv se mai numescdiode de circulaţie sau de descărcare li-eră. entru evitarea supratensiunilor de comutaţie, rapiditatea acestor diode tre%uie să fie mai mare (sau cel puţinegală) cu cea a dispozitivului controla%il însoţit. /n acest scop sunt integrateîn modulele de putere fiind montate în antiparalel cu tranzistoarele sautiristoarele de putere. #unt realizate în gama curenţilor de ordinul 81 şitensiunilor de ordinul 8A." diodele Shott12 au la %ază $oncţiunile metal"semiconductor, fiindcaracterizate printr"o cădere foarte mică de tensiune în starea de conducţie(2 on N =,4A). #unt recomandate aplicaţiilor în care tensiunile de lucru sunt $oase. entru acest tip de diode, tensiunile inverse ma+ime definite prin procesul (tehnologia) de fa%ricaţie sunt cuprinse între (;6"-==)A.

2. .1. Si")!l$l &i '(%$c($%a i! #i # p$(#%#

#im%olul şi structura diodei de putere sunt prezentate în ig. 0.7.

40


33/154

ig. 0.7! #im%olul şi structura diodei de putere.

Geferitor la ig.0.7, se pot face următoarele precizări!" curentuli D prin dioda D circulă într"un singur sens, de la anod ( 5) lacatod ( @ ), când dioda este polarizată direct (aşa cum se prezintă în figură cuI pe 1 şi cu pe O)E" tensiunea la %ornele diodei, în starea de polarizare directă a acesteia senotează cuu D E" structura semiconductoare a diodei este realizată dintr"un microcristalde siliciu impurificat prin procedeul tehnologic dedifuzie şi includeurmătoarele trei regiuni

regiunea catodului este o zonă de tipn9 puternic impurificatăcu atomi pentavalenţidonori (arseniu, fosfor, etc.) astfel încât să seo%ţină o concentraţie mare deelectroni (purtători de sarcină negativi)în $ur de -=-; cm4. 1ceastă zonă este rămasă din su%stratul de %ază al pastilei de siliciu în urma formării celorlalte două regiuni.

regiunea anodului este o zonă semiconductoare de tip p9 dopatăcu atomi trivalenţiacceptori (galiul, %ohrul, etc.) pentru o%ţinerea

unei concentraţii de goluri (purtători de sarcină pozitivi) apro+imativegală cu cea a zonei catodului.regiunea de drift este o zonă semiconductoare de tip n . , mai

sla% dopată decât zonan9 , astfel încât concentraţia purtătorilor desarcină negativi să fie în $ur de -=-5 cm4. rosimea acestei zone esteîn funcţie de tensiunea ma+imă inversă pentru care a fost fa%ricatădioda.

44


34/154

2. .2. Ca%ac(#%i'(icil# '(a(ic# (#n'i$n#3c$%#n(

9aracteristicile statice reprezintă dependenţele tensiune curent (u.i) reale şiideale, după cum rezultă din ig. 0.;.

ig. 0.;! 9aracteristicile statice ale diodei de puterea) caracteristica realăE %) caracteristica ideală.

uncţionarea corespunzătoare a diodei de putere este caracterizată de douămărimi caracteristice!a) tensiunea nominală de blocare/ AR (Geverse Brea8doKn Aoltage9 : estetensiunea inversă de durată, admisi%ilă la %locareE %)curentul nominal ' DB este valoarea medie, admisi%ilă şi de durată acurentului prin diodă./n starea de conducţie directă, pe diodele cu siliciu, apar căderi de tensiunede valori reduse (- -,6A).*+presia matematică a caracteristicii statice a diodei de putere este dată deecuaţia lui &c"ocCle*, după cum urmează!

( -. −= 1 D n/ / & D e ' ' ,(0.--)

unde ' D este curentul prin diodă P1QE ' # este curentul rezidual în străpungerea inversă (zona / AR – 7 acaracteristicii) ce are valori cuprinse între -="7 " -="-6 1. Dupăcum se vede din ig.0.;, acest curent a fost negli$at.

/ D este tensiunea la %ornele diodei, la polarizare directă PAQE n estecoeficientul de emisie(o constantă empirică adimensională)

cu valori cuprinse între - şi 0E

45


35/154

/ 1 este tensiunea de agitaţie termică (o constantă e+primată în mA)dată de următoarea e+presie!

eC1 / 1 = , (0.-0)

unde e este sarcina electrică a electronului (-,7=00 R -="- 9)E 1 este temperatura a%solută POQE C este constanta lui Boltzmann (-,4?=7 R -="04 J O ).

entru o temperatură dată (specificată), curentul ' # este apro+imativ constant pentru un anumit tip de diodă. 9aracteristicile de conducţie şi %locaredepind de temperatura $oncţiunii.Ha %locare temperatura ma+imă admisi%ilă poate a$unge la valori cuprinseîntre -6= 0==o9. Diodele de putere cu siliciu pot avea tensiuni de %locare

de ordinul 8A şi curenţi de durată de până la -===1.După cum se o%servă din ig. 0.;, caracteristica statică a diodei se împarteîn următoarele trei regiuni!" regiunea de conducţie directă &3 + 4 5( în care dioda este polarizată directşi tensiunea depăşeştevaloarea de prag / prag (cu valori cuprinse între =,; -A), dată de pragul $oncţiunii p9 " n.. Dincolo de valoarea de prag, princreşterea tensiunii, curentul creşte proporţional cu aceasta şi caracteristicaeste liniară. 1stfel se sta%ileşte punctul 1 de funcţionare caracterizat princurentul ' ( or ard urrent ) şi tensiunea/ ( or ard Eoltage) numită şitensiune de conducţie (/ on).3ărimea curentului prin diodă este determinată de circuitul e+terior acesteiaşi de valoarea tensiunii de alimentare. Tensiunea la %ornele diodei, în saterade conducţie este dată de relaţia!

on prag on ' R/ / / ⋅+== , (0.-4)

unde Ron este rezistenţa dată de regiunea de drift. Aaloarea acestei rezistenţeeste invers proporţională cu panta caracteristicii de conducţie." regiunea de blocare inversă &3 + 6 5( în care dioda este polarizată invers,

funcţionarea ei fiind caracterizată de apariţia unui curent ' # (curentul rezidualîn străpungerea inversă ce are valori cuprinse între -="7 " -="-6 1, putând finegli$at.% regiunea de străpungere inversă în care tensiunea de -locare inversădepăşeşte valoarea/ AR (Geverse Brea8doKn Aoltage9 putând a$unge la valorifoarte mari (cca -===A) şi contri%uind la străpungerea diodei. /n acest caz,curentul invers este limitat doar de sarcina înseriată cu dioda.

46


36/154

2. .-. C!"$(aţia i! #i # p$(#%#

9omutaţia diodei este caracterizată de procesul trecerii de la starea de %locare la starea de conducţie şi invers, adică de conectare şi deconectare aacesteia. Haconectare, procesul de comutaţie este destul de scurt durând până la apariţia curentului de conducţie datorită in$ectării purtătorilor desarcină prin $oncţiune (din zona puternic dopată). Hadeconectare, curentul ' prin diodă nu se anulează la trecerea prin zero, ci curge mai departe însens negativ până când zona de %ază a purtătorilor de sarcină este eli%erată şitensiunea de %locare poate fi preluată de această zonă. 1cest proces estedescris decaracteristica de resta-ilire n starea de -locare reprezentată în

ig. 0.?.

a) revenirea lentă %) revenirea rapidă

ig. 0.?! 9aracteristica de resta%ilire în starea de %locare a diodei.

3ărimile caracteristice procesului de resta%ilire în starea de %locare, sunturmătoarele!

" t rr timpul derevenire în starea de %locare (reverse recoverC time) sedefineşte ca fiind cuprins între momentul trecerii iniţiale prin zero acurentului ' şi momentul atingerii valorii de7,>F ' RR . 1cest interval de timpeste dat de relaţia!

-arr t t t += , (0.-5)

unde t a este timpul deacumulare măsurat de la trecerea iniţială prin zero acurentului ' şi momentul atingerii valorii curentului ' RR. /n acesttimp are loc procesul de stocare a sarcinii în $oncţiune, iar curentul

47


37/154

prin diodă scade cu pantadi D dt până la valoarea ma+imă (în sensnegativ) ' RR.

t - este timpul de-locare măsurat între valorile ' RR şi 7,>F ' RR alecurentului prin diodă, în starea de %locare a acesteia. /n acesttimp are loc procesul de stocare a sarcinii în volumul intern al pastilei semiconductoare.

/n funcţie de valoarea timpului de revenire, avem trei categorii de diode!a) diode normale cut rr S 06 " -==&s, %) diode rapide cu 6=ns t rr 6 &s ( ig. 0.?%),c) diode #chott8C cut rr S 0 " 6&s.

" ' RR curentul ma+im invers (indicat în catalog) şi definit cu a$utorulrelaţiei!

dt dit ' Da RR = , (0.-6)

undedi D dt este panta curentului (în sensul scăderii acesteia) prin diodă.

" G RR sarcina de revenire din starea de %locare (reverse recoverC charge)este cantitatea de sarcină electrică acumulată în $oncţiunea semiconductoareîn procesul de %locare.1ceastă cantitate de sarcină tre%uie eliminată din $oncţiune pentru ca diodasă"şi recâştige capacitatea reluării procesului de comutaţie în sensul reintrării

diodei în conducţie directă. Aaloarea acesteia este determinată de ariahaşurată în ig. 0.? şi poate fi apro+imativ calculată cu relaţia!

rr RR- RRa RR RR t ' t ' t ' G ⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅≅ 0-

0

-

0

- . (0.-7)

Din această relaţie, rezultă!

rr

RR RR t

G '

⋅= 0 . (0.-;)

/nlocuind relaţia (0.-;) în relaţia (0.-6) se o%ţine!

dt diG

t t D

RRarr .

0 ⋅=⋅ . (0.-?)

4;


38/154

Dacă timpult - este negli$a%il în comparaţie cu timpult a , se poate face înmod uzual apro+imareat rr < t a, rezultând din (0.-?) relaţiile!

dt di

Gt

D

RRrr .

0 ⋅= , (0.- )

şi

dt di

G ' D RR RR ⋅⋅= 0 . (0.0=)

Din aceste ultime relaţii se o%servă că mărimilet rr şi ' RR depind de sarcinastocată G RR şi de panta de curent di D dt . De asemenea curentul ma+im invers ' RR depinde e+ponenţial de temperatura $oncţiunii semiconductoare (H I).

2.;. TIRISTORUL

Tiristorul este un dispozitiv semiconductor de putere cu teminal de comandănumit grilă sau poartă. Deoarece tiristoarele sunt utilizate mai ales înredresoarele semicomandate şi comandate, în literatura anglo"sa+onă se mainumesc şi SC! ( S emiconductor C ontrolled ! ectifiers). uncţionareatiristorului implică e+istenţa unuicircuit de comandăpe grilă care săfurnizeze semnalele de amorsare.

Deoarece în starea de polarizare directă (I pe anod şi pe catod) tiristorulrămâne UagăţatV în starea de conducţie chiar în a%senţa semnalului decomandă, este indicată o comandă înimpulsuri cu anumite amplitudini şidurate (tren de impulsuri).1plicaţii! redresoare comandate şi semicomandate, variatoare de tensiunealternativă,contactoare statice de c.a., chopper"e, invertoare, etc. e piaţă,sunt disponi%ile următoarele tipuri de tiristoare!" tiristoarele controlate în fază sunt dispozitive de curenţi şi tensiuni mari,fiind utilizate în structurile electronice conectate la reţelele de c.a. undelucrează la frecvenţe $oaseE" tiristoarele cu timpi mici de blocare sunt dispozitive mai rapide (cutimpi de %locare de zeci de &s) decât cele anterioare, fiind utilizate înstructurile ce funcţionează în comutaţie forţatăE" tiristoarele activate optic sunt dispozitive ce pot fi comandate prin fi%reoptice care diri$ează flu+ul luminos, de o anumită lungime de undă, în zonamediană a structurii semiconductoare, unde prin generarea perechilor goluri"electroni amorsează tiristorul. /n general sunt utilizate la tensiuni înalte.

4?


39/154

2.;.1. Si")!l$l &i '(%$c($%a '#"ic!n $c(!a%# al# (i%i'(!%$l$i

#im%olul şi structura semiconductoare ale tiristorului sunt reprezentate înig. 0. .

ig. 0. ! #im%olul (a)şi structura semiconductoare (%) ale tiristorului.

@otaţii utilizate! 1 anod, O catod, grilă, iTh curentul prin tiristor (la polarizare directă), uTh căderea de tensiune pe tiristor.Gaportul între diametrul pastilei semiconductoare şi înălţimea acesteia estefoarte mare, grosimea straturilor fiind în funcţie de tensiunile de lucru pentrucare este fa%ricat tiristorul. :ricât de mare ar fi această tensiune, înălţimeatotală a ansam%lului din ig. 0. % este de ordinul milimetrilor. #predeose%ire de înălţime, diametrul pastilei de siliciu este în funcţie de curentulma+im pe care tre%uie să"l preia tiristorul (la curenţi de mii de amperi,diametrul poate fi de ?"-=cm). #tructura semiconductoare este închisă etanşîntr"o capsulă care este fi+ată pe radiator (element de răcire).

2.;.2. Sc – n>despărţite de cele trei $oncţiuni J , J >, J K. Dacă straturile medianen şi p> suntsecţionate imaginar ( ig. 0.-=%), fără a se rupe legătura electrică dintre ele,se o%ţin două structuri distincte! o structură p – n – p> ce corespunde unuitranzistor %ipolar1 de tip pnp, respectiv structuran – p> – n> ce corespundeunui tranzistor %ipolar1 > de tip npn. /nlocuind cele două structuri cu

4


40/154

sim%olurile tranzistoarelor şi realizând legăturile electrice corespunzătoarese o%ţine schema echivalentă din ig. 0.-=c.

ig. 0.-=! #chema echivalentă a tiristorului.a) $oncţiunile semiconductoare, %) secţionarea imaginară a straturilor mediane,

c) echivalenţa cu tranzistoare.

e %aza schemei echivalente prezentate se pot trasa caracteristicile statice de %locare şi conducţie ale tiristorului, reprezentate în ig. 0.--.

a) %)

ig. 0.--! 9aracteristicile statice ale tiristorului.a) caracteristicile reale, %) caracteristicile ideale.

După cum se o%servă din ig. 0.--, funcţionarea tiristorului estecaracterizată de următoarele aspecte!" starea de blocare la polarizarea inversă apare atunci când tensiuneaaplicată tiristorului este negativă (u 5@ =). /n acest caz, tranzistoarele

5=


41/154

echivalente1 şi 1 >sunt polarizate invers, iar curentul prin tiristori 5@ poate ficonsiderat nul. /n realitate apare un curent negativ de scăpări foarte mic(i 5@8 ' R) de ordinul microamperilor." starea de străpungereapare atunci când, la %ornele tiristorului aflatîn %locare la polarizare inversă, tensiunea inversă depăşeşte valoareanegativă / AR ( Reverse AreaCdo nEoltage). /n acest caz, tiristorul estestrăpuns şi implicit curentul prin acesta va creşte %rusc spre o valoarelimitată doar de circuitul e+terior. entru a se evita asemenea situaţie,tiristorul se alege în funcţie detensiunea inversă maximă repetitivă / RR% (parametru de catalog), mai mică decât tensiunea de străpungere/ AR." starea de polarizare directă este caracterizată de tensiuneau1" W =. /nacest caz, n a-senţa unei comenzi, tiristorul se află n starea de -locare la polarizare directă, deoarece nici unul dintre cele două tranzistoareechivalente nu poate prelua conducţia. 1stfel, tiristorul %lochează tensiunidirecte ale căror valori sunt mai mici decât tensiunea de străpungere directă/ A7 ( AreaCover Eoltage). Din fa%ricaţie rezultă tensiunea de străpungeredirectă apro+imativ egală cu tensiunea de străpungere inversă (/ A7 8 / AR).#e recomandă ca tensiunea de străpungere directă, în a%senţa comenzii, sănu depăşească tensiunea ma+imă de străpungere directă (/ A7 8 / A7max) careeste parametru de catalog. Desc"iderea tiristorului are loc dacă unul din cele două tranzistoareechivalente este adus în conducţie, ceea ce presupune e+istenţa fiecăruia dincei doi curenţi de comandă (curenţii de %ază ' A şi ' A>). rocesul se desfăşoară

astfel! se aplică un impuls scurt de curent pe grila tiristorului care determinăconducţia tranzistorului1 >E tiristorul intră astfel într"un proces de amorsarenumit desc"idere n avalanşăE prin deschiderea lui1 > apare curentul decolector ' > care în acelaşi timp este curentul prin %aza tranzistorului1 ( ' A N ' >)E se deschide şi tranzistorul1 al cărui curent de colector ' măreşte şimai mult curentul ' A> prin %aza tranzistorului 1 >E creşterea curentului ' A> vaconduce implicit la creşterea curentului de colector ' > şi aşa mai departe.1pare astfel o reacţie pozitivă ( ' L W ' L> W ' L N N7) caracterizată detranslaţiile punctului de funcţionare de pe caracteristica de %locare directă pecaracteristica de conducţie (regiunea de rezistenţă negativă).% starea de conducţie apare atunci când curentul anodic prin tiristor atingevaloarea de automenţinere ' 1" N ' M ( Molding urrent. parametru de catalog ),caz în care impulsul de comandă pe grila tiristorului ( ' L) poate dispare.9urentul de conducţie poate fi limitat de impedanţa de sarcină a circuituluie+terior tiristorului şi este mai mare decât curentul ' 0 de -locare directă( parametru de catalog ).

5-


42/154

Dacă în cele două stări de %locare (directă şi inversă) curentul prin tiristor poate fi apro+imat ca fiind nul, o%ţinem caracteristicile ideale ale acestora( ig. 0.--%). De asemenea, caracteristica de conducţie poate fi apro+imată cuuna ideală, deoarece căderea de tensiune pe tiristor în această stare esteredusă (-"4A). /n cazul tiristoarelor de mare putere, această apro+imare estedificilă datorită căderilor mari de tensiune la %ornele acestora.

2.;.-. Ca%ac(#%i'(icil# ina"ic# &i # c!"an , 'i*$%,

9aracteristicile dinamice reprezintă dependenţelei1" N f (u1") survenite pedurata regimurilor tranzitorii de amorsare şi de %locare. 9iclul de funcţionareal procesului de comutaţie amorsare %locare este prezentat în ig. 0.-0.

ig. 0.-0! 9aracteristicile dinamice ale tiristorului.

9iclul de funcţionare prezentat în ig.0.-0 începe la momentult87 cândtiristorul %lochează o tensiune directă de amplitudine/ ( orKard Aoltage).

50


43/154

Blocarea acestei tensiuni durează atâta timp cât tiristorul nu este comandat.Ha momentult 7 pe grila tiristorului este aplicat impulsul de comandă pe grilă(impuls de curent)iL. Durata de timp (lăţimea) a impulsului de comandă estet imp. 1morsarea tiristorului are loc după timpult d(on) denumit timp de

nt;rziere la desc"idere (DelaC Time parametru de catalog) a cărui mărimedepinde de tipul tiristorului, de mărimea şi viteza de creştere a curentului degrilă (iL). entru reducerea regimului tranzitoriu şi implicit a timpuluit d(on),impulsul de comandă a cărui durată de timp (lăţime) estet imp tre%uiemenţinut pe grila tiristorului un timp minimt imp(min) până când curentul printiristor atinge valoarea de automenţinere ' M .Timpul total de comutaţie la deschidere t c(on) se calculează din momentulaplicării impulsului de comandă pe grilă până la atingerea valorii sta%ile detensiune/ on la %ornele tiristorului, cu a$utorul relaţiei!

( ) ( ) 0- t t t t ond onc ++= , (0.0-)

unde t 8 t ri estetimpul de creştere a curentului (9urrent Gise Time) încare se iniţializează conducţia tiristorului, curentul prinacesta evoluând spre valoarea de regim impusă de circuitule+teriorE

t > estetimpul de extindere laterală a conducţiei, în care secţiuneacanalului de conducţie se e+tinde la întreaga arie transversală a pastilei semiconductoare. 1cest timp este mai mare decâtt , putând atinge valori de ordinul sutelor de &s.

/n funcţie de tipul tiristoarului, de fa%ricant, de seria constructivă şi destructura circuitului e+terior, timpult c(on) poate fi cuprins în intervalul &s sute de &s. !egimul tranzitoriu de blocare al tiristorului este iniţiat de circuitule+terior prin apariţia unei tensiuni de comutaţie care polarizează inverstiristorul aflat în conducţie. 1cest proces este caracterizat, conform ig.0.-0,de următorii timpi!" t K8 t fi estetimpul de cădere al curentului(9urrent all Time) şi serealizează cu o pantă negativă a curentului prin tiristor impusă de circuitule+terior al acestuia. Ha sfârşitul acestui interval de timp, curentul prin tiristor devine zero." t rr estetimpul de revenireîn care apare, prin tiristor, un curent inversce va transporta sarcina stocată G RR în zona mediană a tiristorului. 1cestinterval de timp este dat de următoarea relaţie!

65 t t t rr += , (0.00)

54


44/154

unde t N este timpul în care atât prin recom%inarea naturală cât şi princontri%uţia curentului invers, purtătorii ma$oritari de sarcină dinzona neutră a $oncţiunilor J şi J K ating concentraţiacorespunzătoare echili%rului termicE

t F este timpul în care se golesc zonele de trecere de purtătoriima$oritari din $urul $oncţiunilor J şi J K.

/n practică, mai interesant decât timpult rr este timpul t ! numit şitimp de-locare care reprezintă intervalul minim în care tensiunea pe tiristor tre%uiesă"şi păstreze polaritatea inversă pentru ca acesta să se %locheze ferm şi careeste un parametru de catalog. 1cest timp este de ordinul sutelor de &s.: altă caracteristică importantă estecaracteristica de circuitului decomandă reprezentând dependenţa dintre mărimile caracteristice circuituluide grilă/ L N f ( ' L), după cum rezultă din ig. 0.-4.

ig. 0.-4! 9aracteristica circuitului de comandă.

/n aplicaţiile uzuale, o importanţă deose%ită se acordă comutării sigure atiristorului. *ste nevoie de a se determina limitele valorilor pentru tensiuneaşi curentul de grilă, astfel încât comutarea să fie sigură iar puterea disipată pe circuitul de grilă să nu depăşească valoarea ma+im admisi%ilă. Joncţiuneagrilă"catod, fiind mai sla% dopată, are un caracter de diodă mai redus faţă denormal, în am%ele sensuri de polarizare, astfel că valorile/ L şi ' L tre%uie sădepăşească limitele zonei sta%ilite de/ Lmin şi ' Lmin . /n ig. 0.-4 este

55


45/154

prezentată caracteristica de grilă a tiristorului (cur-a c) şi dispersia ei posi%ilă (cur-ele a şi - ). unctul de funcţionare tre%uie să se plaseze pedreapta de sarcină zona delimitată de cur%ele de dispersie şi de cea a puteriima+ime a circuitului de grilă ( + Lmax). /n cataloage se recomandă perechile devalori/ L şi ' L pentru o comutare sigură precum şi variaţia lor în funcţie detemperatură. unctele în care dreapta de sarcină intersectează cele două a+ereprezintă valorile ma+ime ale tensiunii şi curentului aferente circuitului degrilă. Tensiunea inversă ma+imă ce poate fi aplicată pe grilă este limitată lama+im 6A.

2.=. TRAN6ISTORUL 7IPOLAR DE PUTERE >78T9

Tranzistoarele %ipolare sunt dispozitive controlate în curent.Curentul decomandănumit şicurent de -ază ( ' A) tre%uie menţinut tot timpul pentru a se păstra starea de conducţie a tranzistorului. : anumită valoare a curentului decomandă impune un anumitcurent de forţă care este chiarcurentul decolector( ' ) în ipoteza în care nu este limitat de circuitul de sarcină. 1stfeltranzistorul funcţionează în stare activă, comportându"se ca orezistenţăvaria-ilă ce impune un anumit curent în circuitul principal, sau ca un generator de curent controlat n curent . Gaportul între curentul de forţă (decolector) şi curentul de comandă (de %ază) se numeşte factor de amplificareîn curent şi este dat de relaţia!

A

' '

=β . (0.04)

Deoarece în starea activă o mare parte din energia vehiculată este reţinută detranzistor (pierderi mari în conducţie) se recomandă ca, în cadrulconvertoarelor, deschiderea tranzistorului să fie totală, astfel încât să seo%ţină o conducţie profundă numită stare de saturaţie. 1ceasta apare dacă serealizează o comandă în e+ces prin care curentul ' A este peste valoareao%ţinută pornind de la valoarea necesară a curentului ' şi de la valoareafactorului de amplificare, adică!

β

A

' ' . (0.05)

Tranzistoarele BJT au următoarele proprietăţi!" pot %loca tensiuni înalte şi pot vehicula curenţi mari,

56


46/154

" prezintă avanta$ul funcţionării în saturaţie profundă (pierderi mici înconducţie)," nu pot atinge frecvenţele de lucru specifice tranzistoarelor de mică putere, datorită faptului că au pierderi mari în comutaţie," nu prezintă un factor ridicat de amplificare în curent (tipic 6"-6)," necesită o putere mare de comandă.

2.=.1. Si")!l$l &i '(%$c($%a 78T

Tranzistoarele BJT sunt realizate pe %ază de siliciu, în două structurisemiconductoare! de tipnpn şi de tip pnp. #unt preferate şi au fostdezvoltate în mod deose%it tranzistoarele de tipnpn, a căror structurăsemiconductoare şi sim%ol sunt prezentate în ig. 0.-5.

ig. 0.-5! #im%olul (a) şi structura semiconductoare (%) a BJT tip npn.

@otaţii utilizate!" terminalele de forţă suntcolectorul ( ) şiemitorul ( )" terminalul de comandă este-aza ( A)*mitorul este folosit ca terminal comun atât pentru circuitul de forţă cât şi pentru circuitul de comandă, fiind declarat de o%iceimasă." i A este curentul de %ază" i este curentul de colector " u este tensiunea colector"emitor.

olarizarea directă în circuitul de forţă, pentru tranzistorulnpn, este cu (I) pe colector şi ( ) pe emitor, adicău W =.

57


47/154

*lementul principal care deose%eşte structura semiconductoare a unuitranzistor BJT de putere de cea a unui tranzistor BJT de mică putere estestratul suplimentar care formeazăregiunea de drift a colectorului sla%impurificată (-=-5 sarcini cm4) şi cu grosime relativ mare. Golul acesteiregiuni este de a %loca tensiunile directe mari prin intermediul $oncţiunii %ază ( A)"colector ( ). 9ând BJT"ul este polarizat direct, dar nu estecomandat ( ' A 8 7), $oncţiune B"9 este polarizată inversbloc7nd tranzistorul.1ceastă %locare este posi%ilă dacă grosimile regiunii dedrift şi ale stratului %azei sunt suficient de mari. rosimea %azei influenţează în mod directamplificarea tranzistorului. +eschiderea tranzistorului este iniţiată prin polarizarea directă a $oncţiunii B"* şi amorsarea unui curent de %ază ' A caredetermină trecerea golurilor din %ază spre emitor şi a electronilor dinspreemitor spre %ază. /n acest fel apare curentul de colector ' al cărui sens esteindicat în ig. 0.-5%. rin creşterea curentului de %ază, densitatea sarcinii îne+ces se e+tinde şi în regiunea dedrift , determinând deschiderea totală atranzistorului adică intrarea acestuia în starea de saturaţie. #aturaţia poate fiuşoară (!uasi.saturation) adică la limita dintre conducţia activă şi conducţiatotală sau poate fi profundă ("ard.saturation) când se o%ţine peste o anumităvaloare a curentului de %ază o densitate de sarcină în e+ces ce cuprinde toatăregiunea de drift a colectorului. entru evitarea fenomenului parazit deconcentrare a curentului în zona centrală a emitorului în timpul conducţieiunor curenţi mari, fenomen ce determină străpungerea secundară ( second -reaCdo n) a tranzistorului, se recurge la soluţia constructivă a unor

terminale multiple de emitor intercalate printre conductoarele %azei. 1stfelde structuri contri%uie la reducerea puterii de comandă pe %aza tranzistoruluişi se realizează su% forma unor module compacte ce conţin două sau treitranzistoare de putere conectate înmontaI Darlington. /n ig.0.-6 sunt prezentate schemele echivalente ale unei structuri monolitice du%luDarlington ( ig.0.-6a) şi al unei structuri triplu Darlington ( ig.0.-6%).

ig. 0.-6! #tructuri monolitice de tip Darlington

5;


48/154

#tructurile monolitice de tip Darlington se caracterizează prin curent de %ază( ' A) de valori reduse şi printr"un factor de amplificare în curent mai ridicatdeoarece conţine ca termen principal un produs al factorilor de amplificare aitranzistoarelor componente. Dezavanta$ul constă în creşterea tensiuniicolector"emitor în saturaţie (=,5A pt. un tranzistor de putere normal şi -,4A pt. Darlington).

2.=.2. Ca%ac(#%i'(icil# '(a(ic# al# 78T

/n ig.0.-7a sunt prezentate caracteristicile statice curent (i ) tensiune (u )aferente unui BJT pentru diferite valori ale parametrului de comandă ' A.

ig. 0.-7! 9aracteristicile statice ale tranzistorului de putere BJT.

Dacă tranzistorul are circuitul %ază"emitor deschis, înseamnă că este %locatşi implicit are ' 8 7 pentru orice tensiuneu mai mică decâttensiunea de străpungere directă AE (Collector"Emitter 7rea8doKn0 oltage) dată încataloage pentru următoarele situaţii posi%ile!" AE 7 atunci când circuitul %azei este deschisE" AE & atunci când $oncţiunea %ază"emitor este scurtcircuitatăE

" AE E atunci când $oncţiunea %ază"emitor este polarizată invers.9ând tranzitorul este comandat în %ază cu un curent oarecare7 ' A ' A> ' AK ......... ' A(n. ) ' A(n), acesta se deschide şi punctul de funcţionare se

aşează pe caracteristica statică, fie în zona activă ( punctul >.punctul dedesc"idere), fie în zona de saturaţie ( punctul ). Dacă circuitul e+terior tranzistorului permite o valoare suficient de mare a curentului ' , punctul defuncţionare se plasează în zona activă a caracteristicii (între punctele - şi 0

5?


49/154

pe dreapta de sarcină), unde rezistenţa internă a dispozitivului (definită înrel. 0.06) este mai mare.

) i '

/ R ∆

∆= .

(0.06)

3ulţimea de puncte cuprinsă între punctele - şi 0 formeazădreapta de sarcină şi caracterizează funcţionarea tranzistorului în zona activă. /n regimde comutaţie timpul de parcurgere al dreptei de sarcină tre%uie să fie cât maimic, astfel încât durata regimului tranzitoriu şi implicit pierderile acestuia săfie cât mai reduse./n zona de saturaţie, o%ţinută prin creşterea curentului ' A şi conform rel.(0.04), va apare un curent mare ' N O' A chiar la o tensiune mică/ . Dacăcircuitul e+terior tranzistorului limitează curentul de colector la o valoare ' ' % şi tranzistorul se comandă cu un curent ' A ce respectă condiţia (0.05), punctul de funcţionare se aşează în zona de saturaţie a caracteristicii underezistenţa internă Ri de conducţie devine foarte mică. /n acest fel, valoareacurentului de colector nu mai este controlată de tranzistor şi este impusăe+clusiv de sarcină. Totodată, căderea de tensiune pe tranzistor devine foartemică / (sat) N (- 0)A şi va determina pierderi mici în conducţie(performanţă deose%ită). /n cataloage este dat curentul ma+im de colector ce poate fi preluat de tranzistorul saturat în regim continuu ' şi curentul ma+imde colector în regim de impuls ' % . /n ig. 0.-7a zonele de saturaţie aletuturor caracteristicilor statice s"au reprezentat cu apro+imaţie pe o aceeaşidreaptă numitădreapta de saturaţie. Deoarece în cazul unei comenzi corecte punctul de funcţionare se află tot timpul pe această dreaptă (unde căderea detensiune pe tranzistor este negli$a%ilă), în ig. 0.-7% dreapta de saturaţiedevinecaracteristica ideală de conducţie. 1stfel cele două caracteristici din

ig. 0.-7% sugerează că tranzistorul BJT are comportamentul apropiat de celal unu

CURS CONVERTOARE STATICE

Documents

Transcript of CURS CONVERTOARE STATICE