Capitolul II Convertoare statice utilizate in alimentarea motoarelor de curent continuu2.1. Dispozitive semiconductoare utilizate n convertoare de puteren ultima perioad asistm la o adevrat revoluie n domeniul dispozitivelor de putere. Aceasta s-a materializat prin apariia a noi dispozitive (IGBT, SIT, SITH, MCT), care tind sa nlocuiasc pe cele clasice (Tiristor, Tiristorul GTO, Tranzistor Bipolar, Tranzistor MOS de putere). La rndul lor, dispozitivele modeme pot fi mprite n doua categorii: dispozitive comandate MOS (IGBT, MCT) i dispozitive comandate prin cmp electric (SIT, SITH). Dezvoltarea algoritmilor de comanda utilizai de convertoarele de putere este strns dependent de perfecionarea dispozitivelor. Acestea trebuie sa se apropie ct mai mult de caracteristicile unui ntreruptor ideal, ce poate fi comandat cu orice frecven.

2.1.1 TiristorulTiristorul a fost primul dispozitiv de putere, realizat in 1956 de Bell Telephone Laboratory. Pn n anii 1980, acest dispozitiv a fost folosit aproape n exclusivitate mpreuna cu diversele sale variante ce i-au ameliorat calitile. Dezavantajul major al tiristorului, l reprezint necesitatea unui circuit de stingere, care s asigure meninerea unei polariti inverse un timp minim "tq" (timp de comutare invers forat). Din acest motiv frecventa maxim de comutaie a dispozitivului este sub 500 Hz pierderile de energie n procesul de comutaie sunt importante. n prezent performantele maxime obinute de tiristoare sunt: 23

-tensiunea maxima suportata n stare blocata 6000V (n ambele polariti); curentul maxim 3500A timpul de comutare invers forat ("tq"), ntre15 i 20us. n momentul de fa, tiristoarele se folosesc pentru realizarea redresoarelor comandate, sau pentru realizarea invertoarelor de mare putere, ce comand de obiceii mainile sincrone. n aceasta ultim situaie, energia necesar blocrii dispozitivului, este generat de tensiunea contra electromotoare ce apare n nfurarea respectiv.

2.1.2 Tiristorul cu comand bilateral (GTO)Acest dispozitiv poate fi blocat cu ajutorul unui impuls de curent invers pe poart a crei valoare este de 4~5 ori mai mic dect valoarea curentului direct prin dispozitiv. Datorit pierderilor de energie n procesul de comutaie, aceste dispozitive se comand la frecvente apropiate de 1-2kHz. Tiristoarele GTO disponibile n prezent suport tensiuni n stare blocat de pn la 4500V i cureni de pn la 3000A. Avantajele pe care le au aceste dispozitive n raport cu tiristoarele, sunt legate de renunarea la bobinele i condensatoarele necesare circuitelor de stingere. Acest lucru cauzeaz pe de o parte reducerea pierderilor prin comutaie, care nu depesc 35% din cele ale invertoarelor cu tiristoare, i pe de alt parte compactarea volumelor invertoarelor realizate cu GTO cam cu 50% n comparaie cu cele realizate cu tiristoare . Dezavantajul principal al GTO este ctigul sczut n curent la comutaie invers (4-10). n mod obinuit, energia necesar comutaiei inverse poate fi asigurat de un tranzistor MOS de putere. n momentul de fat GTO se utilizeaz la realizarea invertoarelor cu puteri cuprinse ntre sute de kW i civa MW, reuind s nlocuiasc tiristoarele n aceasta gam de puteri.

24

2.1.3 Tranzistorul bipolar de putereAceste dispozitive au nceput s fie utilizate din ce n ce mai mult dup 1980,datorit capacitii lor de a lucra la o frecven de comutaie mai mare ca a tiristoarelor i a absenei circuitelor de comutaie invers. Problemele ce apar la aceste dispozitive sunt legate de incapacitatea de a rezista la supracureni sau supratensiuni. Tranzistoarele lucreaz n strile extreme saturat i blocat. Datorit faptului c tranzistoarele de putere, factorul de amplificare n curent referitor la curentul de baz ( ) este relativ mic, se utilizeaz module n conexiune Darlington. Protecia la supracurent poate fi realizat prin determinarea momentului n care tranzistorul iese din starea de saturaie sau prin controlul tensiunii baz-emitor. Protecia la supratensiuni se realizeaz cu ajutorul circuitelor de protecie (snubber), ce trebuie proiectate astfel nct energia disipat pe acestea s fie minim. Utilizarea tranzistorelor de putere la frecvene ridicate impune folosirea circuitelor de protecie active (active snubber) i dac invertorul este de putere mare, este important ca aceste circuite de protecie s aib capacitatea de a recupera energia. n prezent tranzistoarele bipolare sunt folosite pentru invertoare cu puteri de pn la 100-200 kW. Frecvenele maxime de comutaie ce pot fi folosite n cazul trazistoarelor bipolare de putere sunt de 10-15 kHz

2.1.4 Tranzistorul MOS de putereAceste tranzistoare au avantajul c purttorii de sarcin sunt de un singur tip nu apar probleme legate de evacuarea unei sarcini stocate. Din acest motiv, tranzistoarele MOS de putere sunt cele mai rapide dispozitive de putere folosite. Controlul conductibilitii se realizeaz prin nivelul tensiunii prezente pe gril. Dezavantajul major al acestor dispozitive l reprezint rezistena echivalent relativ mare (fa de tranzistorul bipolar) n stare de saturaie. Timpii de comutaie obinui cu tranzistoarele MOS sunt de ordinul nanosecundelor, putnd fi folosite la frecvene de ordinul sutelor de kilohertzi. n situaiile practice se recomand o mrire a duratei de comutaie (realizarea unei comutaii lente), printr-o comand adecvat pe grila tranzistorului. n acest mod se reduc problemele ce pot apare datorit comutaiei mai

25

lente, caracteristicile altor dispozitive semiconductoare (diode) ce se afl n circuit. De asemenea se reduce viteza de variaie a curentului (di/dt) prin ramura respectiv, micorndu-se amplitudinile pulsurilor de tensiune ce apar la bornele tranzistorului, datorit variaiei fluxului prin inductanele nseriate cu acesta. Aceste tranzistoare pot fi uor interfaate cu circuitele de comand digitale, datorit impedanei foarte mari ce o prezint la intrare. n momentul de fa pentru aplicaiile de putere s-au impus tranzistoarele n structur D-MOS (double diffuset MOS) fig. 2.1. Din fig. 2.1 a) se observ c structura tranzistorului de putere este realizat prin cuplarea n paralel a mai multor structuri. Totodat se pot identifica i dioda echivalent ce apare n antiparalel cu tranzistorul MOS. Aceast diod nrutete viteza de comutaie a tranzistorului datorit cantitii mari de sarcin stocat n aceasta. Tranzistoarele MOS sunt de obicei folosite n construcia surselor de alimentare ce lucreaz n regim de comutaie i n construcia invertoarelor avnd puteri mai mici de 5 kW, pierderile n conducie a acestor tranzistoare reprezentnd un impediment major.

Fig. 2.1 - a) Structura tranzistorului D-MOS Fig. 2.1 - b) Structura echivalent a tranzistorului D-MOS

2.1.4.1

Funcionarea

i

caracteristicile

statice

corespunztoare tranzistoarelor MOSDin fig. 2.1, se observ c pe substratul n+ este crescut epitaxial un strat n, n are sunt apoi implantate regiunile n+ i p. Poarta (grila) este realizat sub forma unei grile din siliciu policristalin n+ ngropat ntr-un strat de Si02. Acest start izoleaz

26

poarta att de metalizarea sursei, ct i de stratul epitaxial dedesubt. Se observ c metalizarea sursei (fcut cu Al) conecteaz n paralel toate celulele elementare ale structurii. Pozitivarea porii (fa de surs) peste o anumit valoare de prag (Up) duce la apariia unei zone mbogite n electroni n regiunile p, care sunt situate sub electrodul porii, realizndu-se astfel un traseu electric ntre regiunea epitaxial n- i zona acoperit de metalizarea sursei. Curentul poate circula n ambele sensuri. Structura se comport ca tranzistor doar UGS>UP, adic atunci cnd curentul circul de la dren la surs. La o polarizare invers (UDS>0), curentul poate circula fie prin zona mbogit (UGS>UP), fie prin dioda antiparalel pnn+. Caracteristicile de interes pentru funcionare n regim de comutaie a tranzistorului MOS, sunt prezentate n fig. 2.2.a) i b).

Fig. 2.2a). Caracteristica de ieire iD=f(uDS) Fig. 2.2.b) Caracteristica de transfer iD=f(uDS)

n fig. 2.2.a) sunt prezentate caracteristicile de ieire pentru un tranzistor MOS de putere. Starea de saturaie a tranzistorului este descris de linia critic (marcat n fig. 2.2.a) printr-o sgeat) creia i se poate asocia ecuaia urmtoare:

iD =

u DS RDS ( ON )

pentru uDS=iD*RDS(on)0) Ue 1

Pe0

DRC (T 1) = 0.5 U e = 0D RC (T 1) = 0 U e = U d

Pe>0 3

Pe U tr Pentru braul A : dac u control < U tr dac u control > U tr Pentru braul B : dac - u control < U tr atunci 1( ) i T2(FF ) u A = +U d atunci T2(ON) i T1(OFF) u A = 0 atunci 3( ) i T4( FF ) u B = +U d atunci T4(ON) i T3(OFF) u B = 0

Valoarea medie a tensiunii de ieire este aceeai ca n cazul comenzii PWM cu comutaie bipolar a tensiunii, deoarece duratele relative de conducie ale dispozitivelor rmn nemodificate. Totui, dac frecven semnalului triunghiular este aceeai, deosebirea esenial dintre cele dou metode este c frecvena de comutare a tensiunii instantanee de ieire se dubleaz, rezultnd o micorare a riplului de curent. La momentul t=0:

u tr (t ) =

U tr 4U tr t = t Tc Tc 4

45

Tc/4

Tc=1/fc

utriunghilar

ucontrol

Utr

t=0t1 Tc Tc/2 t1

t

uA T2 uB

T1 T2Tc

t

T3 T4

T3 t

uAB -Ud -Ud Ie(t) Ie max Ie mediu 1 2 3 4 Ie min +Ud -Ud

+Ud t

tON(T1+T4)

t Ie 0 c t u A = m U d = t m f cU d , castig dac : A < 0 Tc In concluzie, uA nu depinde de mrimea curentului, ci numai de polaritatea acestuia. In plus, uA este proporional cu timpul mort tm i cu frecvena de comutaie fc .

49

uA 0 ideal 0 T2

T1 t a T2 t

T1

tm T1 0 real 0 T2 t tt tm b

uA IA>0 uA

uA-pierderi

t c

IA 0 c tm u B = U d = t m f cU d , ct dac : A < 0 Tc Avnd n vedere c tensiunea instantanee de ieire este u e (t ) = u A (t ) u B (t ) , atunci variaia valorii medii a tensiunii de ieire devine

u e = 2t m f cU d , dac e > 0 u e = 2t m f cU d , dac e < 0Principalul efect al existenei timpului mort este abaterea caracteristicii de transfer a convertorului fa de cazul ideal. Din relaiile de mai sus, rezult ca minimizarea abaterii valorii medii a tensiunii de ieire, n condiiile unei frecvene de lucru ridicate, se face prin reducerea timpului mort tm, fapt ce impune folosirea de dispozitive semiconductoare rapide (MOSFET, IGBT). Dac dispozitivele avute la dispoziie au timpi de comutaie mari (de ex. GTO), atunci frecvena de lucru va fi limitat superior.

2.4. Generarea impulsurilor de comand pentru convertoarele n comutaieConvertorul are funcionarea controlat prin intermediul unui sistem de comand care furnizeaz semnalele de comand ce se aplic dispozitivelor de comutaie. Sistemul de comand genereaz impulsuri de comutare pe electrozii de comand ai dispozitivelor semiconductoare de putere pe baza unor criterii determinate de funcionarea convertorului, sursa de alimentare, sarcin, etc. n acest sens blocul de comand trebuie s asigure furnizarea unor semnale secveniale la momente de timp impuse, impulsurile satisfcnd unele cerine privind puterea, amplitudinea, durata si fronturile, pentru efectuarea comenzii.

51

Interaciunea ntre blocurile de comand si cele de putere ca i necesitatea izolrii galvanice a sursei de semnal reprezint elementele cele mai importante in realizarea sistemului. Convertoarele cu comutaie proprie (variatoare de curent continuu, invertoare autonome) conin comutatoare deconectabile pentru care, n special la puteri mari, se utilizeaz circuite de stingere forat. Comutarea contactorului static se poate realiza n ritmul unei secvene de comand obinut prin modulaia unor impulsuri n durat (PWM), frecven (PFM) sau ambele. Schemele de comand de tip analogic pot fi utilizate la frecvene joase de lucru unde precizia unghiului de comand nu este critic. n aplicaiile de frecven variabil i n mod special la frecvene mari, metodele analogice de implementare nu sunt adecvate. Unghiurile de comand sunt n mare parte dependente de precizia i stabilitatea elementelor pasive sau de neliniaritatea componentelor active din componena oscilatoarelor analogice, i n plus, simetrizarea comenzii este greu de realizat.

2.5. Generarea impulsurilor de comand pentru choppereChopperul sau variatorul de tensiune continu este utilizat frecvent la reglarea turaiei motoarelor de curent continuu (n special de putere mic i medie) fiind un convertor care transform tensiunea continu aplicat la intrare n impulsuri dreptunghiulare la ieire. Valoarea medie a tensiunii de la ieirea unui chopper se poate modifica ntre 0 i cea a tensiunii de alimentare, folosind unul din urmtoarele principii: CS

modificarea frecvenei de repetiie a unor impulsuri de durat constanta o o o (PFM - pulse frecvency modulation); width modulation)Um Ud CC o modularea n durata a unor impulsuri de frecvena constant (PWM pulse Fig. 3 S c hem a de pr incipiu .1 a unei ac tionari de c c c u choppe r

Fig. 2.14 Schema de principiu a unei acionri de c.c. cu chopper

52

Schema bloc a unui astfel de sistem de acionare este prezentat n fig. 2.14 dac circuitul de comand CC comand contactorul static CS cu o secven repetat0 Ud

periodic motorul va fi alimentat cu o tensiune medie

Um0 =

TC Ud , Tc TT

unde: Tc este durata de conectare a contactorului Cs iar T perioad ul generarii de repetiie. P rincipi2 Contactorul static poate fi realizat cu tranzistoare bipolare sau MOS sau cu 2 semnalelor PWM de c.c

Fig. 2.15 Principiul generrii IGBT-uri. Tiristoarele sunt tot mai puin utilizate datorit frecvenelor de comutare mici semnalelor PWM de c.c.

i a circuitelor de stingere forat. n acest caz funciile pe care trebuie s le realizeze circuitul de comand sunt simple: generarea intervalelor de timp T i Tc; comanda propriuzis a tranzistoarelor cu impulsuri de durata Tc.

n cazul chopperelor n 4 cadrane principiul de generare al semnalului PWM rmne acelai, problemele suplimentare aprnd la generarea semnalelor deQ1 Q3 o

comand pentru tranzistoarele de putere. Convertorul n 4 cadrane poate fi comandat n dou moduri de funcionare: tranzistoarele Q1, Q2 i pentru celalalt Q3, Q4; Ud

funcionare unipolar, cnd pentru un sens al tensiunii Um funcioneaz Q2Q4 Um o

funcionare bipolar (invertor monofazat) cnd tranzistoarele de pe acelai Tensiunea la ieirea convertorului va fi dat de Um = (1 2 k )Ud . Deci pentruFig. 2.16 Chopper n 4 cadrane

Fig.

6 Chopper in patru cadrane

bra funcioneaz permanent avnd comenzile complementare. k=[0 - 0.5] se obine o polaritate a tensiunii Um iar pentru k=[0.5 - 1] se obine polaritatea invers. Un prim aspect ar fi ca pentru aceeai lungime a numrtorului rezoluia scade la jumtate. Problema specific o constituie faptul c tranzistoarele de pe acelai bra lucreaz n contratimp. La comanda de comutare tranzistorul care a fost blocat va intra n conducie nainte ca celalalt tranzistor s fie blocat. Pentru a evita acest fenomen este necesar introducerea unui timp mort ntre comanda de blocare a unui tranzistor i comanda de deschidere a celuilalt. Aceasta se poate realiza cu monostabile clasice sau, preferabil, numeric.

53