POLUVODIČKE SKLOPKE I VENTILI OSNOVNI POJMOVI POVIJESNI RAZVOJ PREGLED VRSTA

1. POLUVODIČKE SKLOPKE I VENTILI • OSNOVNI POJMOVI • POVIJESNI RAZVOJ • PREGLED VRSTA

2. Poluvodička sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od: − jednog ili više poluvodičkih ventila, − zaštite od prenapona i prekostruja, − pobudnog (upravljačkog) stupnja, − rashladnog tijela. Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje. Samostalno je inoperativna.

3. Elektronička sklopka Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička sklopka. Jasno je da su inženjeri nastojali razviti elektroničku sklopku u svemu jednaku idealnojmehaničkoj električkoj sklopki (sklapa kod oba polariteta napona, vodi struju u oba smjera i nema gubitaka). sklopka otvorena: i(t) = 0 sklopka zatvorena: v(t) = 0 u oba slučaja: p(t) = i(t) v(t) = 0

4. Elektronička sklopka funkcionalno jednaka mehaničkoj sklopki je veoma složena (sastoji se od više elektroničkih ventila). Ipak, operativna cjelina koja ima samo neke funkcije mehaničke sklopke naziva se elektronička sklopka. Dakle, u stvarnom svijetu treba razlikovati: – mehaničku sklopku, – elektroničku sklopku (ima samo neke funkcije mehaničke sklopke). U idealnom svijetu treba razlikovati: – idealnu mehaničku sklopku, – idealnu elektroničku sklopku (ima samo neke funkcije mehaničke sklopke). Stvarne elektroničke sklopke se više ili manje približuju idealnim, jer stvarni poluvodički ventili imaju male gubitke.

5. Poluvodički ventil To je složena struktura unutar monokristala silicija. Primjerice, IGBT u jednom smjeru može držati napon i uklapati i isklapati struju, a u drugom smjeru eventualno može držati napon (samo neke izvedbe) i ne može voditi struju. IGBT

6. Svaki poluvodički ventil ima gubitke: gubitke uklapanja, gubitke isklapanja i gubitke vođenja. Primjerice, tijekom isklapanja diode, na diodi istodobno postoji napon i teče znatna struja (umnožak napona i struje daje vremenski tijek gubitaka): zaostali naboj Naponsko-strujno naprezanje diode tijekom isklapanja vrijeme oporavljanja

7. Ili, tijekom uklapanja tranzistora poteče struja prije nego je započelo opadanje napona: Naponsko-strujno naprezanje tranzistora tijekom uklapanja

8. Nekad nije bilo tako…Električki ventili su se razlikovali od današnjih… Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi Upravljivi živin ispravljač u čeličnoj posudi (2000 A, 3000 V)

9. …nalikovali su na vanzemaljce. Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi nazivne struje 500 A. Desno je regulacijski uređaj (BBC). Upravljivi živin ispravljač u nazivnom pogonu. Vidi se curenje kondenzirane žive u kondenzacijskom balonu. Vide se i priključci upravljačkih rešetki.

10. Koristili su se i mehanički kontaktni slogovi Kontaktni slog sa 6 kontakata u spoju sa srednjom točkom za pretvarače 5000 A, 300 V (SSW, 1939.)

11. Mehanički pretvarač za 4000 A i 50 V: a) uklopne prigušnice, b) kontaktni slog, c) razvodni ormar (SSW, 1943.) Za ostvarenje mehaničkih pretvarača Mehanički pretvarač: 200 A, 230 V (SSW, 1941.)

12. Kada je započela era poluvodiča? Kako je Shockley dobio Nobelovu nagradu? 1949. god.

14. Kako su poluvodički ventili izgledali nekad? 1954. god.

15. Dioda izrađena u laboratorijima Instituta za fiziku Sveučilišta u Zagrebu Osnovni podaci diode: - strujna opteretivost: 200 A - naponska opteretivost: 1800 V Lađica za legiranje i sendvič diode. 1967. god.

16. Ideja poluvodičkog upravljivog poluvodičkog ventila – - PNPN struktura Članak je uredništvo primilo u svibnju 1956. god.

17. Usporedba živinog ventila i tiristora Živin ventil Tiristor Pad napona u stanju vođenja: 25 V 1,5 V Radna temperatura kućišta 15…60 °C -40…80 °C Vrijeme oporavljanja: 300…400 us 30…400 us Volumen sveden na jedinicu sklopne snage: 2500 dm3/MW 0,1 dm3/MW

18. I tako se razvila velika porodica poluvodičkih ventila:

19. Osnovne vrste današnjih poluvodičkih ventila

20. Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta. Ne treba ih za sada posebno učiti. Samo treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) može naći šest različitih struktura. OSNOVNE STRUKTURE POLUVODIČKIH KOMPONENATA PN struktura diodna struktura tranzistorska struktura tiristorska struktura struktura metal - poluvodič MOS struktura

21. Raspon snaga današnjih poluvodičkih ventila je velik … Visokofrekvencijske diode GTO tiristori 4500 V, 3000 A za elektromo-torne pogone u vuči Mrežne i frekvencijske diode i tiristori Tiristori 8000 V, 1200 A odn. 5500 V, 2600 A za istosmjerene velepri-jenose i statičke kom-penzatore jalove snage

22. Izbor ventila iz proizvodnog programa tvrtke SEMIKRON

23. Istosmjerni veleprijenosi Kompenzatori Elektrolize Vuča Neprekinuto napajanje Indukcijsko zagrijavanje Elektromotorni pogoni Visokofrekvencijsko zavarivanje Napajanje Gdje se upotrebljavaju poluvodički ventili?

24. Radna područja poluvodičkih sklopki struja u stanju vođenja Primjer jednokvadrantnog rada sklopke: ON - Stanje vođenja OFF - Stanje nevođenja napon u stanju nevođenja Napon ide lijevo, negativan je

25. iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski unipolarna) vOFF iON Dvokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski bipolarna) vOFF Radna područja poluvodičkih sklopki Dvokvadrantna sklopka (strujno dvosmjerna, naponski unipolarna) iON vOFF iON Četverokvad-rantna sklopka (strujno dvosmjerna, naponski bipolarna) vOFF

26. KOMPONENTE (AKTIVNE, PASIVNE) REALNI I IDEALNI SVIJET SVIJET MODELA I SVIJET UREĐAJA

27. Nazivlje I u nazivlju treba razlikovati realni od idealnog svijeta. Realni svijetIdealni svijet komponenta element otpornik otpor kondenzator kapacitet prigušnica induktivitet transformator idealni transformator savršeni transformator dioda idealna dioda tranzistor idealni tranzistor priključak pristup

28. U dosta slučajeva nema zasebnog naziva za pojmove u idealnom svijetu i u realnom svijetu. Zato se dodaje pridjev ‘realni’ ili ‘idealni’, primjerice: - realni tiristor - idealni tiristor - realni naponski izvor - idealni naponski izvor itd.

29. iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski jednopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila - DIODA • neupravljiva, jednokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K), • preuzima nagativni (zaporni) napon u stanju nevođenja, • sklopno stanje ovisi samo o struji i/ili naponu na stezaljkama A i K A K

30. iON Dvokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski dvopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila - TIRISTOR • (polu)upravljiva, samo uklopiva, dvokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K), • preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja A K G

31. Modeli poluvodičkih ventila - TIRISTOR Već na razini osnovne analize sklopova, treba u model tiristora uvesti vrijeme oporavljanja. vrijeme oporavljanja = minimalno potrebno vrijeme odmaranja vrijeme oporavljanja komponenta vrijeme odmaranja sklop

32. iON Dvokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski dvopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila – GTO (geitom isklopiv tiristor) (engl. gate turn off thyristor, GTO) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K), • preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja • isklapa pomoću negativnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) A K G

33. iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski jednopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila – BJT (bipolarni tranzistor) (engl. bipolar junction transistor) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom smjeru • preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog strujnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (bazi) C B E

34. Modeli poluvodičkih ventila – IGBT (bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom) iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski jednopolna) vOFF (engl. insulated gate bipolar transistor) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom smjeru • preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, samo neki tipovi IGBT-a mogu preuzeti negativni (zaporni) napon • uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa D (C) G S (E)

35. Modeli poluvodičkih ventila – MOSFET (MOS tranzistor s efektom polja) (engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka, • vodi struju u dva smjeru (u jednom FET u drugom ugrađena dioda), • preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa D G S

36. U primjenama često trebamo strujno dvosmjernu sklopku, možemo je ostvariti kombinacijom ventila C Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u) možemo dodati povratnu diodu. B E Ukoliko nas dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET-a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće

37. Primjer za primjenu dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke je kod izmjenjivača s naponskim ulazom.

38. U primjenama može zatrebati i strujno jednosmjerna sklopka, a naponski bipolarna sklopka koju također možemo ostvariti kombinacijom ventila Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u ili MOSFET-u) možemo u seriju dodati diodu koja preuzima napon kojeg tranzistor ne bi mogao preuzeti. B (dioda preuzima napon) (tranzistor preuzima napon) E

39. Primjer za primjenu dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke je kod izmjenjivača sa strujnim ulazom.

40. Idealni nadomjestak za mehaničku sklopku je četverokvadrantna električka sklopka, koja se na različite načine može ostvariti kombinacijom poluvodičkih ventila • upravljiva, uklopiva i isklopiva, četverokvadrantna sklopka, • vodi struju u dva smjeru i preuzima napon u dva smjera, • uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi, isklapa nakon uklanjanja tog impulsa

41. Primjer za primjenu četverokvadrantne sklopke je kod matričnih pretvarača. Svi naponi i struje su izmjenični, sklopke moraju biti četverokvadrantne. Potrebno je 9 takvih sklopki.

42. Hidraulička analogija diodne i tiristorske strukture Analogija diodne strukture Analogija tiristorske strukture Kada se jednom izvuče zapor, više se ne može zaustaviti tok.

43. Hidraulička analogija tranzistorske strukture

44. MODELI PASIVNIH KOMPONENATA

45. Model otpornika, prigušnice i kondenzatora

46. Model otpornika, prigušnice i kondenzatora Dobro je uvijek na jednak način označavati smjerove napona i struja elemenata i pamtiti formule koje povezuju tako označene polaritete napona i smjerove struja. To su tehničke rutine.

47. Otpornik Nadomjesna shema otpornika žičani metal-film

48. Frekvencijska ovisnost impedancije žičanog otpornika: Model komponente ima samo neka svojstva komponente (a ima i svojstva koje komponenta nema).

49. Matematički model (obično se gradi iz nadomjesne sheme), to je ovisnost struje i o naponu u: i2 i1 i u Ako je L = 0 i C = 0, vrijedi Ohmov zakon u = Ri.

50. Kondenzator Nadomjesna shema kondenzatora