Energoelektronika różne pytania

1. Przedstaw tranzystory MOSFET?

Struktura tranzystorów unipolarnych MOSFET (ang. Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) zawiera podłoże półprzewodnikowe
z krzemu o przewodnictwie np. typu n, na którego powierzchni są naniesione - metodą dyfuzyjną - obszary typu p+ elektrod, nazywane źródłem S i drenem D. Między tymi obszarami na podłożu krzemowym jest umieszczona cienka warstwa izolacyjna z dwutlenku krzemu Si02, na której znajduje się płytka aluminiowa stanowiąca elektrodę bramki. Dopóki między obu obszarami dyfuzyjnymi o przewodnictwie p+ znajduje się obszar o przewodnictwie n, tak długo między źródłem i drenem może płynąć tylko niewielki prąd (prąd wsteczny złącza p-n) przy dowolnym kierunku ich polaryzacji.
Jeżeli do bramki zostanie doprowadzony potencjał ujemny względem podłoża, to następuje usuwanie elektronów z powierzchni, a nawet, przy odpowiednio dużej wartości napięcia bramki - wsysanie nośników (dziur) do cienkiej warstwy przy powierzchni podłoża. W ten sposób tworzy się połączenie obszarów źródła i drenu kanałem o przewodnictwie typu p. Szerokość tego kanału, a więc i wartość prądu przy danym napięciu dren?źródło, zależy od wartości napięcia bramki.
Podłoże bywa często wykonywane z krzemu o przewodnictwie typu p
z naniesionymi obszarami typu n+ źródła i bramki. W takiej strukturze dodatni potencjał bramki powoduje wyciąganie elektronów z podłoża tworząc kanał przewodzący typu n.
W tranzystorach polowych mocy jest najczęściej stosowana struktura DMOS (ang. Double-diffused MOS), w której na podłożu o przewodnictwie
n tworzącym dren przez podwójną dyfuzję naniesione są obszary
o przewodnictwie p+ i n+, przy czym te ostatnie są elektrodami źródła S tranzystora (rysunek 1a). Grubość obszaru p+ i koncentracja zawartych w nim domieszek określa wytrzymałość napięciową struktury. Doprowadzenie dodatniego napięcia do bramki umieszczonej na warstwie izolacyjnej
z dwutlenku krzemu powoduje wyciąganie przez pole elektryczne elektronów, które tworzą połączenie między obszarami n+ źródła i n- drenu. Przewodnictwo tego kanału zależy od wartości napięcia bramki.
Tranzystory polowe mocy są złożonymi strukturami monolitycznymi wykonanymi w technice scalonej, zawierającymi wielką liczbę (ponad 1000) pojedynczych elementów połączonych równolegle. Bramka wspólna dla tych wszystkich elementów, izolowana od struktury przez warstwę Si02, ma dużą rezystancję (rzędu 109 W) i w stanie ustalonym praktycznie nie pobiera prądu. Impulsy napięciowe o dużej stromości wywołują prąd przejściowy przeładowywania pojemności między obszarami elektrod (rysunek 1c).


Rysunek 1. Tranzystor polowy mocy: a) struktura uproszczona; b) symbol graficzny; c) model
z uwzględnieniem pojemności wewnętrznych i obwodu obciążenia; d) statyczne charakterystyki prądowo-napięciowe.

W przebiegu charakterystyk prądowo-napięciowych tranzystora polowego mocy można wyróżnić dwa przedziały (rysunek 1d): przedział
o stałej rezystancji (RDS = UDS/ID = const) i przedział drugi, w którym prąd drenu ma wartość stałą (ID = const). Przy napięciach bramki 24 V występuje zjawisko progowe i wtedy prąd drenu jest bardzo mały. Rezystancja RDS jest związana z napięciem znamionowym tranzystora. W tranzystorach polowych
o wyższych napięciach znamionowych może osiągać znaczne wartości, np. RDS»2W w tranzystorze o danych znamionowych UDS=50 V, ID=50 A. Rezystancja ta zwiększa się wraz z temperaturą - wzrost temperatury struktury od 25C do 100C może powodować nawet dwukrotne zwiększenie rezystancji tranzystora.
Jeżeli pominąć pojemności międzyelektrodowe, to w tak wyidealizowanym procesie włączania tranzystora polowego prąd drenu zaczyna zwiększać się od chwili t1 (rysunek 2a), w której napięcie bramki przekroczy wartość progową, i dąży do wartości prądu obciążenia, którą osiąga w chwili t2. Od tej chwili rozpoczyna się szybkie obniżanie się napięcia uDS tranzystora.
W warunkach rzeczywistych pojemności międzyelektrodowe, zaznaczone na rysunku 2c powodują, że przebiegi zarówno prądu iD, jak i napięcia uDS ulegają znacznym deformacjom (rysunek 2a).
Proces wyłączania (rysunek 2b) tranzystora polowego mocy rozpoczyna się od chwili, w której wskutek obniżenia się napięcia bramki nastąpi rozładowanie pojemności wejściowych. Napięcie uDS szybko podwyższa się do wartości napięcia zasilania osiąganego w chwili t8, po czym prąd drenu zmniejsza się z dużą stromością do zera. Oddziaływanie pojemności międzyelektrodowych i indukcyjności rozproszenia obwodów drenu i „źródła" S deformuje te wyidealizowane przebiegi, zwłaszcza przebieg napięcia na tranzystorze.
Czasy przełączeń tranzystorów polowych są bardzo krótkie - rzędu dziesiątków nanosekund. Powstające w tych procesach straty mocy są pomijalne w porównaniu ze stratami przewodzenia.
Graniczne parametry techniczne współcześnie wytwarzanych tranzystorów polowych mocy: ID=20100 A, UDS=20050 V (większe wartości prądów odpowiadają niższym napięciom znamionowym), ton>0,09 ms, toffł0,14 ms, dopuszczalne stromości narastania napięcia >20 kV/ms i narastania prądu >10 kA/ms.



Rysunek 2. Przebiegi prądu i napięcia w czasie przełączania tranzystora polowego mocy: a) proces włączania; b) proces wyłączania ------------ przebiegi wyidealizowane, ------- przebiegi rzeczywiste.

2. Chłodzenie półprzewodnikowych przyrządów mocy.

Przyrządy półprzewodnikowe mocy w czasie pracy układów energoelektronicznych nagrzewają się w wyniku powstających w nich strat
w stanie przewodzenia i w procesach przełączeń. Akumulacja ciepła w samym przyrządzie jest niewielka i przeważająca część wydzielanej energii cieplnej jest odprowadzana przez jego obudowę. Od intensywności odprowadzania ciepła zależy przyrost temperatury obudowy i samego złącza przyrządu. Temperatura krytyczna złącza jest określona, np. dla tyrystorów wynosi 125150C, dla diod 150180C, i nie może być przekroczona w żadnych warunkach pracy, gdyż spowodowałoby to zniszczenie struktury półprzewodnikowej.
W celu zwiększenia ilości ciepła odprowadzanego z obudowy przyrządu są stosowane radiatory zwiększające powierzchnię oddawania ciepła i zdolność akumulacji energii cieplnej. Oddawanie ciepła z radiatorów do otoczenia nie zawsze jest zadowalające i zwłaszcza w przypadku ppm większej mocy konieczne jest zintensyfikowanie odbierania ciepła z przyrządu. W tym celu stosuje się wymuszone przewietrzanie wnętrza zespołów przekształtnikowych, chłodzenie cieczowe (wodne lub olejowe) obudowy przyrządów albo też specjalne urządzenia jak np. rury cieplne.
Model cieplny ppm wykorzystuje analogie przepływu energii cieplnej
i energii elektrycznej. Jeżeli oznaczyć przez Q ilość ciepła wydzielaną w czasie t, to przyjmuje się podobieństwo następujących wielkości: strumień cieplny Q/t równy stracie mocy DP w przyrządzie jest analogią prądu elektrycznego i, rezystancja cieplna Rth - rezystancji elektrycznej R, pojemność cieplna Cth - pojemności elektrycznej C, a temperatura q(Q) - napięciu (U).
W stanie ustalonym - przy stałym przepływie strumienia ciepła (DP) - przyrost temperatury Qi-Q0 w wybranym punkcie i jest równy iloczynowi strumienia ciepła i sumy rezystancji cieplnych



Jeżeli straty w przyrządzie, a więc i strumień ciepła zmieniają się
w czasie, to przyrosty temperatur również się zmieniają, gdyż są one uwarunkowane wtedy impedancją cieplną Zth.
Na rysunku nr 3. przedstawiono przebieg w czasie temperatury
w wybranym punkcie układu cieplnego przy zmieniających się stratach wydzielanych w przyrządzie w postaci ciepła.
W celu zwiększenia intensywności odprowadzania ciepła do otoczenia przyrządy półprzewodnikowe mocy są montowane na radiatorach z miedzi lub aluminium, których kształt pozwala na uzyskanie największej powierzchni oddawania ciepła. Na rysunku nr 4. jest przedstawiony przykładowy kształt radiatora do jednostronnego chłodzenia przyrządów. Gładkość i dokładne dopasowanie stykających się powierzchni, pokrycie ich pastą dobrze przewodzącą ciepło i dociśnięcie z odpowiednią siłą zapewnia małą rezystancję cieplną na styku przyrząd-radiator. Zastosowanie wymuszonego przewietrzania wnętrza przekształtnika zwiększa oddawanie ciepła z powierzchni radiatora
i przyrządu.



Rysunek nr 3. Przebieg w czasie temperatury złącza przy zmiennym obciążeniu.


Rysunek nr 4. Jednostronne chłodzenie ppm: przyrząd z radiatorem

Kompletny model cieplny powinien uwzględniać oddawanie ciepła przez pastylkę krzemową do elementów konstrukcyjnych wewnątrz przyrządu takich, jak podkładki molibdenowe, lut, wyprowadzenia miedziane itp.
Opracowane są różnorodne konstrukcje układów chłodzenia cieczowego ppm pastylkowych i śrubowych. Do tego celu stosuje się zarówno odpowiednio ukształtowane radiatory przyrządów, najczęściej miedziane, wewnątrz których przepływa ciecz chłodząca, jak również kompletne systemy chłodnicze.
W przekształtnikach o dużych prądach obciążenia, np. w prostownikach galwanizacyjnych szyny zbiorcze, na których są instalowane diody mocy, mogą mieć wewnętrzne kanały, przez które przepływa ciecz chłodząca. Woda stanowi zwykle ciecz chłodzącą w systemach z radiatorami.
Skuteczność chłodzenia zależy od tzw. współczynnika przekazywania ciepła (konwekcji). W przypadku wody ma on bardzo dużą wartość (500 do 10000 W/m2•K), co powoduje, że ciecz ta jest bardzo skuteczna w procesach chłodzenia. Ograniczone właściwości izolacyjne wody są przyczyną stosowania oleju przy wyższych napięciach, mimo znacznie mniejszego współczynnika przekazywania ciepła (50350 W/m2•K), ale większej skuteczności niż chłodzenie powietrzne, którego współczynnik konwekcji zawiera się
w granicach 580 W/m2•K. Dość znaczny przedział wartości współczynnika przekazywania ciepła zarówno wody, jak i cieczy chłodzących wynika z ich właściwości fizycznych, chropowatości ścianek i temperatury kanałów.
Efektywność chłodzenia cieczowego jest znacznie większa, gdy ciecz chłodząca znajduje się w stanie wrzenia - przekazywanie ciepła odbywa się wówczas nie tylko przez konwekcję, ale również dzięki przemianie fazowej ciecz - para. Układy wykorzystujące tę właściwość noszą nazwę układów wapotronowych. Stosuje się w nich różne płyny chłodzące, zarówno wodę,
jak i ciecze o niskich temperaturach parowania, m.in. freon.

3. Przedstaw budowę i zasadą działania prostownika niesterowalnego, czyli układy diodowe 1-faz. i 3-faz. przy obciążeniu rezystancyjnym i przy obciążeniu indukcyjnym.

Obciążenie rezystancyjne. Na rysunku nr 5 przedstawiono schemat prostownika jednopulsowego oraz przebiegi napięć i prądów w pracy ustalonej układu. Układ złożony jest z jednofazowego transformatora, diody i opornika. Zakładamy, że transformator jest idealnym źródłem napięcia i ma przekładnię równą jedności, dioda jest idealnym zaworem a opornik jest czysto rezystancyjny.
Prąd pierwotny iP jest przemienny, odkształcony, przy czym średnia jego wartość liczona za okres jest równa zeru, co wynika stąd, że uzwojenie pierwotne transformatora jest zasilane ze źródła napięcia przemiennego. Jeśli uwzględniać w transformatorze prąd pracy jałowej io to prąd pierwotny zawiera dwie składowe - składową obciążenia i składową pracy jałowej. Składowa obciążenia różni się tym od prądu wtórnego is, że jest przesunięta na wykresie (rysunek 5) wzdłuż osi rzędnych o wartość równą wartości średniej prądu wyprostowanego Id. Wynika stąd, że prąd pierwotny chwilowy wyraża się wzorem



Rysunek nr 5. Prostownik jednopulsowy: a) schemat układu; b) i c) przebiegi chwilowe napięć i prądów
w obwodzie pierwotnym i w obwodzie wtórnym transformatora.

Biorąc pod uwagę, że w obwodzie wtórnym transformatora płynie prąd jednokierunkowy, nasuwa się pytanie, w jaki sposób uzyskuje się przemienność prądu pierwotnego i spełnienie warunku



Decydującą rolę ma w danym przypadku prąd magnesujący transformatora. Tylko dzięki niemu uzyskuje się czysto przemienny prąd
w obwodzie pierwotnym. Rozpatrzmy uproszczony schemat zastępczy układu
z rysunku 5, przedstawiony na rysunku 6. Pominięto w nim indukcyjności rozproszenia obwodu pierwotnego i obwodu wtórnego,


Rysunek 6. Schemat zastępczy uproszczonego układu z rysunku nr 5.
rezystancję uzwojenia wtórnego transformatora a ponadto straty
w stali. Ponieważ prąd obwodu wtórnego zawiera składową stałą Id i składową przemienną Is,



więc prąd magnesujący transformatora obciążonego również musi zawierać składową stałą Idm, i składową przemienną im~



Prąd pierwotny jest sumą prądu wtórnego sprowadzonego do obwodu pierwotnego (is=i’s) i prądu magnesującego, więc można napisać


Z równań i wynika, że jest

Podstawiając równanie w równaniu
i zakładając, że io»im~ otrzymuje się właśnie, po uwzględnieniu zależności równanie .
Przedstawione powyżej równania opisują stan ustalony, który jest zawsze poprzedzany stanem nieustalonym, powstającym po włączeniu układu do źródła zasilającego. Z uwagi na bezwładność elektryczną obwodu z indukcyjnością główną transformatora, składowa stała prądu magnesującego narasta do wartości ustalonej przez kilka okresów. W chwili włączenia układu przebieg czasowy prądu pierwotnego jest taki sam jak przebieg prądu wtórnego. Prąd pierwotny wywołuje spadek napięcia na rezystancji RP, w wyniku czego obniża się (w półfali dodatniej) napięcie wymuszające przepływ prądu magnesującego. Ponieważ strumień magnetyczny jest całką względem czasu napięcia, więc
w stanie nieustalonym przyrost strumienia jest większy w półfalach ujemnych napięcia zasilającego, co powoduje przesunięcie średniej wartości strumienia
o składową stałą. Stan ustalony powstaje dopiero wtedy, gdy składowa stała prądu magnesującego zrównoważy składową stałą prądu wtórnego. Przebieg czasowy prądu pierwotnego w stanie nieustalonym po włączeniu układu do źródła napięcia zasilającego ilustruje rysunek 7.


Rysunek nr 7. Przebieg chwilowy pierwotnego prądu transformatora zasilającego prostownik jednopulsowy, po włączeniu układu do źródła napięcia.

Wartość średnia napięcia wyprostowanego wynosi


Z zależności tej wyznacza się wymaganą wartość skuteczną napięcia zasilającego, gdy zadana jest wartość napięcia wyprostowanego

Wartość średnia prądu wyprostowanego oraz prąd w uzwojeniu wtórnym transformatora określone są wzorami

Pomijając składową pracy jałowej w prądzie pierwotnym transformatora uzyskuje się prostą zależność na wartość skuteczną prądu pierwotnego

lub


Z powyższych równań otrzymuje się zależności na moce obliczeniowe, uzwojenia wtórnego i uzwojenia pierwotnego transformatora


Moc obliczeniową (gabarytową) transformatora przyjęto określać jako średnią arytmetyczną mocy uzwojenia wtórnego i uzwojenia pierwotnego

Jak wynika z tego wzoru, moc pozorna transformatora zasilającego prostownik jednopulsowy jest ponad trzykrotnie większa od mocy prądu stałego, co świadczy o nieekonomicznym wyzyskaniu miedzi i stali w transformatorze.
Napięcie wyprostowane jest okresową funkcją czasu - ud(t)=ud(t+T), przy czym T=2p/w - i dlatego jego przebieg czasowy można rozwinąć w szereg trygonometryczny Fouriera, zgodnie z zależnością

W wyniku obliczenia współczynników An i Bn szeregu Fouriera otrzymuje się

Zauważmy, że wyraz Bo występujący w równaniu i wyrażający składową stałą przebiegu okresowego, oznacza tu średnią wartość napięcia wyprostowanego.
W tablicy nr 1. zestawiono wartości skuteczne harmonicznych, do 10-tej włącznie, napięcia wyprostowanego w układzie jednopulsowym przy obciążeniu czysto rezystancyjnym, odniesione do napięcia wyprostowanego średniego (Un/Ud0).
N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Un/Ud0 1,1107 0,4714 0 0,0943 0 0,0404 0 0,0224 0 0,01143
Tablica nr 1. Wartości skuteczne harmonicznych napięcia wyprostowanego prostownika jednopulsowego przy obciążeniu rezystancyjnym, odniesione do wartości średniej napięcia wyprostowanego.

Obciążenie indukcyjne. W tymi miejscu rozpatrzony zostanie przypadek szczególny pracy prostownika jednopulsowego niesterowanego, gdy obciążenie jest prawie idealnie indukcyjne. W takim przypadku pracy układu stosuje się dodatkową diodę, zwaną diodą zerową, którą łączy się równolegle
z odbiornikiem lecz przeciwnie do kierunku przewodzenia diody podstawowej. Schemat takiego układu przedstawiony jest na rysunku nr 8a. Rola diody zwrotnej polega na tym, że zapobiega ona zwrotowi energii zmagazynowanej
w dławiku do sieci zasilającej, dzięki czemu uzyskuje się ciągły przepływ prądu w odbiorniku. Cewka odbiornika ładuje się, gdy półfala napięcia zasilającego jest dodatnia a rozładowuje się, gdy półfala napięcia zasilającego jest ujemna. Przy obciążeniu w znacznej mierze indukcyjnym, elektromagnetyczna stała czasowa obwodu jest wielokrotnie większa od półokresu napięcia zasilającego
i dlatego można przyjąć, że zwarcie odbiornika przez diodę zerową
w półokresie ujemnym nie powoduje w praktyce zmniejszenia energii elektromagnetycznej cewki. Wynika to również z zależności matematycznych.


Rysunek 8. Prostownik jednopulsowy z diodą zerową, obciążony indukcyjnie: a) schemat układu; b) przebiegi chwilowe napięcia i prądu.
Przy założeniu, że elementy układu są idealne można napisać następujące równanie różniczkowe prądu i płynącego ze źródła zasilającego poprzez diodę D i odbiornik

W wyniku rozwiązania równania różniczkowego , przy warunku początkowym zerowym (i = 0 przy t = 0) - otrzymamy

przy czym: ; .
Jeśli , to i wobec dużej stałej czasowej drugi składnik
w nawiasie równania ma w przybliżeniu również wartość równą jedności.
Stąd wynika, że prąd i osiąga maksimum przy , przy czy


Po osiągnięciu przez prąd i płynący przez diodę D wartości maksymalnej, zmienia się znak napięcia samoindukcji, w wyniku czego zawór D polaryzuje się zaporowo i odbiornik rozładowuje się przez diodę zerową Do. Przebieg czasowy prądu diody zerowej wyraża się następująco

przy czym
Prąd io osiąga minimum wtedy, gdy , przy czym z równań i wynika

Przy pracy ustalonej układu uzyskuje się i0min=const, imax=const. Wobec powyższego otrzymuje się przy , i=i0min, a zatem

Z równań tych wynika, że

Przy uwzględnieniu, że R/Z=cosj, a R/wL=ctgj, otrzymuje się przy wL/R®Ą


Jest to przypadek uzyskania prądu wyprostowanego bezpulsowego (idealny filtr indukcyjny).
Z równań i wynika, że wartość średnia prądu wyprostowanego, a tym samym i wartość średnia napięcia wyprostowanego wyrażają się dla prostownika jednopulsowego obciążonego indukcyjnie w układzie z diodą zerową i obciążonego czysto rezystancyjnie, identycznie.

4. W jakim celu stosuje się szeregowe i równoległe łączenie półprzewodnikowych przyrządów mocy.

Łączenie równoległe diod, tranzystorów i tyrystorów stosuje się wówczas, gdy jest wymagana większa obciążalność prądowa układu. Trudności związane z bezpośrednim połączeniem równoległym przyrządów wynikają
z rozrzutu ich charakterystyk napięciowo-prądowych w stanie przewodzenia. Jest to spowodowane nierównomiernym rozpływem prądów w gałęziach równoległych, tzn. większy prąd przepływa przez przyrząd o mniejszym napięciu przewodzenia (i odwrotnie).
Nierównomierność rozpływu prądu może potęgować wpływ temperatury na wartość napięcia przewodzenia. W celu zapewnienia prawidłowej współpracy połączonych równolegle przyrządów, w procesie produkcji dobiera się wartości napięć przewodzenia z rozrzutem 20 mV Okazuje się jednak, że bardziej niekorzystne są wpływy rozrzutu wartości impedancji poszczególnych gałęzi, wskutek różnic w sposobie prowadzenia połączeń bądź wskutek rozrzutu wartości rezystancji bezpieczników topikowych łączonych szeregowo (z reguły) z każdym tyrystorem. Niekiedy może się okazać niezbędne, głównie w stanach dynamicznych, zastosowanie elementów wyrównawczych, do których należą np. odpowiednie dławiki. Przy połączeniach równoległych tyrystorów, konieczne jest stosowanie odpowiednich bramkowych sygnałów załączających. Zwiększenie poziomu impulsów sterujących wpływa korzystnie na równoczesność załączania tyrystorów i równomierność rozpływu prądu
w gałęziach równoległych.
Łącząc równolegle tranzystory mocy, należy zapewnić możliwie stałe wartości impedancji w gałęziach oraz odpowiednie sygnały sterujące
o właściwych wartościach szczytowych, czasach trwania i stromościach narastania. W takich połączeniach nie stosuje się bezpieczników.
W niektórych urządzeniach energoelektronicznych (np. w systemach przesyłania energii elektrycznej prądem stałym liniami wysokiego napięcia) zachodzi konieczność łączenia szeregowego przyrządów półprzewodnikowych. Zasadniczym warunkiem uzyskania wówczas wymaganej równomierności rozkładu napięcia jest dobór diod lub tyrystorów o jak najmniejszym rozrzucie charakterystyk napięciowo-prądowych. Jest wymagana również jednakowa wartość napięć UR i UD oraz odpowiadające im jednakowe wartości prądów IR
i ID. Do wymuszenia równomiernego rozkładu napięcia w stanach ustalonych stosuje się rezystory wyrównawcze.
Nierównomierność rozkładu napięcia w stanach dynamicznych jest bardzo groźna dla przyrządu półprzewodnikowego. Aby tego uniknąć, należy zwiększyć poziom bramkowych impulsów sterujących. W obwodach zawierających szeregowo połączone tranzystory mocy stosuje się również układy: wyrównujące rozkład napięcia, tłumiące przepięcia, np. dzielniki pojemnościowo-rezystancyjne, i odpowiednie układy sterujące, które zapewniają równomierność pojawiania się impulsów o odpowiednich wartościach szczytowych, czasach trwania i stromościach narastania.