DAN POPA CONVERTOARE STATICE Curs introductiv 2007 Editura NAUTICA, 2007 Editur recunoscut de CNCSIS Str. Mircea cel Btrn nr.104 900663 Constana, Romnia tel.: +40-241-66.47.40 fax: +40-241-61.72.60 e-mail: nautica@imc.ro ISBN (10) 973-7872-39-8 ISBN (13) 978-973-7872-39-5 Cuvnt introductiv Dup cum o sugereaz i titlul, lucrarea de fa se dorete a fi o lucrare de iniierendomeniulvasticomplexalconvertoarelorstatice.Easeadreseazn primulrndstudenilordelafacultilecuprofilelectric,nprogramaanalitica crora este prevzut cursul de Convertoare statice, dar i celor care, la un moment, dat sunt interesai n studierea uneia dintre problemele specifice ale electronicii de putere. Lucrarea abordeaz o mare parte dintre aspectele de baz, generale, legate de domeniul convertoarelor statice, fr a se insista pe detaliile strict teoretice, fiind dinacestpunctdevedere,olucraremaimultdescriptiv,deiniiere.nschimb,a fostintrodusuncapitoldestuldeconsistentcredem,ncares-ancercat familiarizareacititorilorcumetodeledesimulareacircuitelorelectronicefolosind dou programe de simulare extrem de rspndite n momentul de fa: PSPICE i CASPOC. De altfel, se poate remarca c, n multe dintre capitolele lucrrii, au fost folositepentruexemplificareafuncionriicircuiteloranalizateformedeund obinute prin simularea pe calculator cu programele sus-amintite. Aceste programe suntaccesibilepeInternetnvariantedemonstrative(free),avndtoatefacilitile pentru familiarizarea utilizatorului cu simularea circuitelor electronicii de putere. Constana, 2007 Autorul Convertoare statice. Curs introductiv CUPRINS CUPRINS Pagina Capitolul 1 GENERALITI PRIVIND CONVERTOARELE STATICE1 1.1.Definiie1 1.2.Locul convertoarelor statice n fluxul energetic 1 1.3.Clasificare1 1.4.Tendine n dezvoltarea convertoarelor statice5 1.5.Aplicaii de baz7 Capitolul 2 DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE FOLOSITE NCONVERTOARELE STATICE9 2.1. Tiristorul10 2.1.1. Caracteristici funcionale11 2.1.2. Tipuri de tiristoare18 2.1.3. Transformatoare de impulsuri 19 2.2. Triacul21 2.2.1. Caracteristici funcionale21 2.3. Dispozitive semiconductoare complet comandate 24 2.3.1. Tiristorul cu blocare pe poart (GTO)25 2.3.2. Tranzistoare bipolare de putere (BPT)27 2.3.3. Tranzistoare MOSFET de putere28 2.3.4. Tranzistoare bipolare cu baza izolat (IGBT)30 2.3.5. Tranzistoare cu inducie static (SIT)31 2.3.6. Tiristoare cu inducie static (SITh)32 2.3.7. Tiristoare cu comand MOS (MCTh)34 2.4. Comparaie privind dispozitivele semiconductoare complet comandate36 Capitolul 3 PROTECIA DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE DE PUTERE37 3.1.Protecia tiristoarelor38 3.2.Protecia tranzistoarelor bipolare40 3.3.Protecia tranzistoarelor MOSFET43 3.4.Protecia IGBT44 Capitolul 4 REDRESOARE COMANDATE45 4.1. Teoria general a redresoarelor comandate n faz45 4.1.1. Principiul de funcionare45 4.2. Valoarea medie a tensiunii redresate, la mersul n gol47 IConvertoare statice. Curs introductiv CUPRINS 4.3. Regimurile de funcionare ale unui redresor comandat49 4.4. Caracteristicile de comand 50 4.5. Regimul de curent ntrerupt51 Capitolul 5 SCHEME TIPICE DE REDRESOARE COMANDATE54 5.1. Redresorul monofazat cu punct median (MM)54 5.2. Redresorul monofazat n punte (MCP)56 5.3. Redresorul trifazat n stea (TS)58 5.4. Redresorul trifazat n punte (TCP)60 5.5. Mrimi caracteristice redresoarelor comandate63 5.6. Indici de performan65 Capitolul 6 REDRESOARE CU DIOD DE NUL67 6.1. Redresorul monofazat n punte cu diod de nul68 6.2. Redresoare trifazate cu diod de nul70 6.2.1. Redresorul trifazat cu punct median70 6.2.2. Redresorul trifazat n punte73 Capitolul 7 REDRESOARE SEMICOMANDATE75 7.1. Redresorul semicomandat, monofazat, n punte75 7.2. Redresorul semicomandat, trifazat, n punte78 Capitolul 8 COMANDA REDRESOARELOR CU COMUTAIE NATURAL83 8.1. Structura blocului de comand83 8.2. Comanda valorii medii84 8.2.1. Comanda prin faz85 8.2.2. Comanda prin zero, cu referin constant n timp (fix)85 8.2.3. Comanda prin zero, cu referin variabil86 Capitolul 9 REDRESOARE CU FACTOR DE PUTERE CAPACITIV87 9.1. Redresorul monofazat n punte88 9.1.1. Schema redresorului. Funcionare88 9.1.2. Mrimi caracteristice90 9.2. Schem economic de redresor cu factor de putere capacitiv92 9.3.Redresor trifazat n punte cu factorde putere capacitiv95 Capitolul 10 REDRESOARE CU FACTOR DE PUTERE UNITAR97 10.1. Redresorul monofazat n punte97 10.1.1. Mrimi caracteristice 100 10.2. Redresorul trifazat n punte101 IIConvertoare statice. Curs introductiv CUPRINS Capitolul 11 FUNCIONAREA REDRESOARELOR COMANDATE N REGIM DE INVERTOR 104 11.1. Redresorul trifazat cu punct median106 11.2. Erori de comutaie108 Capitolul 12 COMANDA DE TIP PWM A REDRESOARELOR111 12.1. Redresorul monofazat n punte111 12.1.1. Metoda modulaiei sinusoidale111 12.1.2. Metoda modulaiei sinusoidale bilogice113 12.1.3. Metoda modulaiei sinusoidale trilogice114 Capitolul 13 CONVERTOARE STATICE C.C.-C.C. (CHOPPERE)115 13.1. Generaliti. Clasificare115 13.2. Variatoare de tensiune pentru un cadran117 13.2.1. Chopperul cobortor (serie)117 13.2.2. Chopperul ridictor (paralel)121 13.3. Variatoare de tensiune pentru dou cadrane124 Capitolul 14 CONVERTOARE STATICE C.A.- C.A. CU COMUTAIE NATURAL128 14.1. VTA monofazate129 14.2. Variatoare trifazate136 14.3. Cicloconvertoare137 Capitolul 15 CONVERTOARE STATICE C.C.-C.A. (INVERTOARE)139 15.1. Invertoare cu comutaie comandat140 15.1.1. Clasificare140 15.1.2. Aplicaii142 15.2. Invertoare cu modulaie de amplitudine143 15.2.1. Generaliti. Regimuri de lucru143 15.2.2. Tipuri de invertoare cu modulaie n amplitudine145 Capitolul 16 INVERTOARE CU MODULAIE N DURAT MID (PWM)157 16.1. Principiul MID (PWM)157 16.2. Comanda invertoarelor prin MID (PWM)158 16.2.1. Modulaia MID (PWM) sinusoidal159 Capitolul 17 SIMULAREA FUNCIONRII CONVERTOARELOR STATICE165 17.1. Simulatorul PSPICE165 17.1.1. Simularea convertoarelor de putere n PSPICE167 17.2. Simulatorul CASPOC169 IIIConvertoare statice. Curs introductiv CUPRINS 17.3. Schema de principiu a convertorului analizat171 17.3.1. Circuitul de for al invertorului171 17.3.2. Circuitul de comand171 17.4. Simularea funcionrii schemei folosind programul PSPICE174 17.5. Simularea funcionrii schemei folosind programul CASPOC177 BIBLIOGRAFIE180 IVConvertoare statice. Curs introductiv Capitolul 1 Capitolul 1 GENERALITI PRIVIND CONVERTOARELE STATICE 1.1. Definiie Convertoarele statice sunt echipamente care realizeaz conversia energiei electricetotnenergieelectriciacrorpartedeforconine,deregul, dispozitivesemiconductoarecomandate(tiristoare,triace,tranzistoareetc.)care permit reglarea puterii medii transmise sarcinii. Convertoarele statice fi comandate sau necomandate. 1.2. Locul convertoarelor statice n fluxul energetic Cel mai frecvent, convertoare statice sunt destinate sistemelor de acionare electric de for, n care sarcina este, de obicei, un motor electric, dar mai sunt i alte aplicaii. SPCS BCISPEPFig. 1.1. Locul convertoarelor statice n fluxul energetic [2] SP surs de putere (reea de c.a.); CS - convertor static S sarcin; BCI bloc de comand n circuit nchis P microprocesor; EP electronic de putere 1.3. Clasificare Exist mai multe criterii de clasificare a convertoarelor statice: 1Convertoare statice. Curs introductiv Capitolul 1 A)Din punct de vedere energetic 1.Convertoarestaticec.a.c.c.(redresoare)realizeazconversia energieielectricedec.a.nenergieelectricdec.c.,iarprincomandsepoate regla valoarea medie a tensiunii redresate (tensiunea de ieire). Fig. 1.2. Convertor c.a. c.c. (redresor comandat) =ucU0~~~u1, f1 2.Convertoarestaticec.c.c.a.(invertoare)realizeazconversia energieidec.c.nenergiedec.a.,iarprincomandsepoatereglafrecvena tensiunii de ieire i eventual, valoarea efectiv a acesteia. =uc~~ Fig. 1.3. Convertor c.c. c.a. (invertor) 3.Convertoarestaticec.c.c.c.(variatoaredetensiunecontinu- VTC)realizeazconversiaenergieidec.c.avndparametriiconstanitotn energiedec.c.,daraicreiparametrivaloareamedieatensiuniipoatefi reglat i poate fi mai mare dect tensiunea de intrare. Aceste convertoare se mai numesc i choppere. =uc=Fig. 1.4. Convertor c.c. c.c. (variator de tensiune continu - VTC) (chopper) 2Convertoare statice. Curs introductiv Capitolul 1 4.Convertoarestaticec.a.c.a.carerealizeazconversiaenergiei electrice de c.a. avnd parametrii constani (amplitudine i frecven) tot n energie decurentalternativ,daraicreiparametriipotfireglaiprincomand.Potfide mai multe feluri: 4.1.Variatoaredetensiunealternativcarepermitnumaireglarea valorii efective a tensiunii de ieire, frecvena acesteia fiind constant i egal cu a tensiunii de alimentare. Fig. 1.5. Variator de tensiune alternativ (VTA) uc~~u1, f1u2, f1~~ 4.2.Convertoarestaticedetensiuneifrecven(CSTF),carepermit reglarea att a valorii efective a tensiunii de ieire, ct i a frecvenei acesteia. uc~~u1, f1u2, f2~~Fig. 1.6. Convertor static de tensiune i frecven (CSTF) Convertoarestaticedetensiuneifrecven(CSTF)suntclasificaten2 categorii,nfunciedemodulncarerealizeazconversiaenergieidec.a.n energie de c.a. a)CSTFdirectecicloconvertoarerealizeazconversiac.a.c.a.n mod direct, fr a trece prin forme de c.a. b) CSTF indirecte, care realizeaz conversia energiei n 2 trepte: c.a. c.c. c.a. Acestea conin: -un redresor -un invertor -un circuit intermediar (de obicei o capacitate i o inductan). Dup caracterul circuitului intermediar, CSTF indirecte pot fi: 3Convertoare statice. Curs introductiv Capitolul 1 a)CSTFdecurent,cndcircuitulintermediararecaracteristicileunei sursedecurent,adiccondensatorulCdpoatelipsiiarinductanaLdestede valoare important acesta este un invertor de curent. =uc2~~ =uc1~~R ICIu1, f1LdCdudFig. 1.7. CSTF indirect R redresor; I invertor; CL circuit intermediar b)CSTF de tensiune, cnd circuitul intermediar are caracterul de surs de tensiune,determinatdevaloareaimportantacapacitiiCdiarinductivitateaLd poate lipsi. n acest caz, invertorul are o structur specific i se numete invertor de tensiune. Pentrureglareafrecveneif2atensiuniideieireu2,comandaseaplic invertoruluiI,iardupmodulncareseregleazvaloareaefectivatensiuniide ieire u2, CSTF poate fi: a)CSTFcumodulaiedeamplitudine,cndreglareavaloriiefectivea tensiuniideieireu2 sefaceprinreglareavaloriimediiatensiuniidincircuitul intermediar.RezultcredresorulReste,nacestcaz,esteunredresor comandat. b)CSTFcumodulaiendurat,cndfiecarealternanatensiuniide ieire u2 este format din 1 sau mai multe pulsuri de amplitudine constant, dar a crorlimesepoatemodifica.RedresorulReste,nacestcaz,unredresor necomandat, iar reglarea valorii efective a tensiunii de ieire se face prin comanda aplicat invertorului. B)Din punct de vedere al comutaiei Searenvederemodulncareseasigurenergianecesarblocrii dispozitivelor semiconductoare. 4Convertoare statice. Curs introductiv Capitolul 1 1.Convertoarestaticecucomutaieexternsaunatural,lacareenergia necesar blocrii dispozitivelor semiconductoare exist n mod natural n circuit i provine de la o surs extern (generatorul de putere sau sarcina). n aceast categorie intr: a)redresoare cu comutaie natural b)variatoarele de tensiune alternativ c)cicloconvertoarele d)invertoarelecucomutaiedelasarcin(invertoarecealimenteaz motoarele asincrone) 2.Convertoarestaticecucomutaieinternsauforat,lacareenergia necesarcomutaieitrebuiecreatnstructuraconvertorului(cazultiristoarelor) sau prin comand (cazul dispozitivelor semiconductoare complet comandate).ncazulconvertoarelorstaticecucomutaieforatcutiristoare,energia necesarcomutaieiseobineprinncrcareacorespunztoareauneicapaciti. Din aceast categorie fac parte: a)variatoarele de tensiune continu VTC b)invertoarele din componena CSTF indirecte 3.Convertoarestaticecucomutaiesoft,lacarecomutaiaarelocla tensiunei/saucurentnule.Obinereaacestorcondiiiserealizeazprin iniializarea,princomand,aunoroscilaiidecurentitensiune.Aceastaesteo metod nou, modern. 1.4.Tendine n dezvoltarea convertoarelor statice Iniial, convertoarele statice se foloseau cu precdere n acionrile ce c.c. Pnn1980,acionriledec.a.reprezentaudoar25%dintotalulacionrilor electrice, restul de 75% reprezentau acionri de c.c. Apariiadispozitivelorsemiconductoarecompletcomandateacreat premiseledezvoltriiacionrilordec.a.iacesteaaudevenitmaieconomice dect cele de c.c. O acionare electric de putere este valabil dac are: -randament ridicat -putere reactiv redus n c.a. (pulsaii n c.c. reduse) -rspuns rapid 5Convertoare statice. Curs introductiv Capitolul 1 Principalele tendine n dezvoltarea electronicii de putere sunt: a)Dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare de putere.Iniial,nconstruciaconvertoarelorstaticedeputeresefoloseaunumai tiristoare,tranzistoarelefolosindu-selaputerisub100KW,laconstrucia variatoarelordetensiunecontinuiainvertoarelor.Dupanul1980,aunceput s fie realizate dispozitive semiconductoare complet comandate de mare putere: -tranzistoare MOS de mare putere -tiristoare cu blocare pe poart GTO -tranzistoare bipolare cu poart izolat IGBT -tranzistoare cu inducie static SIT -tiristoare cu inducie static SITh Performanele tipice ale convertoarelor statice (vezi i Tabelul 1.1) sunt: -tensiuni de strpungere > 1000V (1000 2000V) iar la GTO 4500V -cureni direci: 200 3000A (GTO) -puteri maxime: 200 3300W (GTO) -frecvene de lucru: 1 300 KHz (SIT) b) Dezvoltarea de noi topologii de convertoare statice. Structuriledebaz(clasice)aleredresoareloriinvertoarelorsuntbine cunoscute de cteva decenii. n prezent au aprut structuri noi, mai eficiente: -invertoarele rezonante -invertoarele cu comutaie soft -convertoare rezonante c) Dezvoltarea i perfecionarea tehnicilor de comand. ComandadetipPWM(PulseWidhModulation)folositiniialdoarn conversia c.c. c.a. a fost extins i la comanda invertoarelor de mare putere (de ordinulMW),lacomandaredresoarelorcufactordeputereunitaria convertoarelor statice rezonante. d) Perfecionarea circuitelor de comand Pnnanul1980,pentrucomandaconvertoarelorstaticesefoloseau exclusiv circuite analogice. n prezent se folosesc circuite digitale: -convertoare D/A i convertoare A/D -circuite specializate ASIC -procesoare de semnal DSP 6Convertoare statice. Curs introductiv Capitolul 1 Tabelul 1.1. Performanele unor dispozitive semiconductoare de putere Dispozitivul semiconductor U [V] I [A] toff [s] Pmax [KVA] Frecvena [KHz] BPT120030015 251800,5 5 MOSFET1000280,3 0,5 145 100 IGBT10002001 41002 20 GTO4500300010 2533000,2 1 SIT1400250,1 0,3 1830 300 SITh20006002 - 43001 - 10 1.5. Aplicaii de baz Aplicaiileconvertoarelestaticeacopertotdomeniulinginerieielectrice. Cele mai importante sunt: -acionrile electrice -traciunea electric -aplicaiile casnice Alte aplicaii: -surse de putere n comutaie -transmisia energiei electrice n c.c. (puteri mai mari de 1GW) -nclzirea prin inducie a. Surse de putere n aceste aplicaii se folosesc n special convertoare rezonante. Densitatea de putere a depit 2000W/cm3, iar frecvena de comand PWM 40KHz. b. UPS surse de alimentare nentrerupt Acesteechipamentesuntdestinatenspecialalimentriicalculatoarelor personale, n scopul prevenirii pierderii de informaii la ntreruperile accidentale ale tensiunii reelei de alimentare. Pentru puteri sub 200KVA se folosesc convertoare statice echipate cu IGBT. n prezent s-a ajuns pn la puteri de ordinul MVA. c. Transportul energiei n c.c. i nalt tensiune Pentru acest tip de aplicaii, n staiile linilor de transport al energiei n c.c. inalttensiunesefolosesccelemaimariconvertoarestatice,puterileinstalate depind 1GW. 7Convertoare statice. Curs introductiv Capitolul 1 d. Compensatoare de putere reactiv Pentrucomandainductivitiloriconectareadecapacitinscopul mbuntiriifactoruluideputereseutilizeazconvertoarestaticeechipatecu tiristoare. e. Servoacionri electrice Pentru multe aplicaii casnice (cel mai bun exemplu fiind cel al mainilor de splatautomate)sefolosescconvertoarestaticedeputerimici,echipatecu tranzistoare MOSFET, n care se utilizeaz comanda PWM. f.Acionri industriale Pentruobinereadeperformaneenergeticebune,nacesttipdeaplicaii deputeremare(peste10KW)seutilizeazinvertoarecu3nivele.Convertoarele statice se folosesc att n acionri de c.c. ct i de c.a. g. Traciunea electric nacesttipdeaplicaiisefolosescconvertoarestaticecufuncionaren4 cadrane i invertoare comandate prin metoda PWM. Convertoarele statice folosite pentruacionareamotoarelorasincroneseutilizeazntransporturileferoviare nc din anii 1980. Alte aplicaii: -traciunea cu suspensie magnetic -traciunea cu motoare sincrone liniare -traciunea cu motoare sincrone n regim autopilotat h. nclzirea prin inducie Pn n 1990, generatoarele pentru nclzire prin inducie au folosit maini rotativesautuburielectronicedemareputere(lanaltfrecven).nprezentn acesteaplicaii,pnlafrecvenede1020KHzsefolosesctiristoarerapide. Folosind convertoare echipare cu SIT i MOSFET s-a ajuns pn la frecvene de 400KHz. i. Instalaii de aer condiionat n acest tip de aplicaii, pentru alimentarea motocompresoarelor se folosesc invertoarecomandateprinmetodaPWM.Reglajulcontinuualvitezeiderotaie face ca randamentul s fie cu 20% mai bun dect n controlul convenional de tip on off. n plus, aceast metod de comand permite reducerea zgomotului i a vibraiilor. 8Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 Capitolul 2 DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE FOLOSITE N REDRESOARELE COMANDATE nultimeledeceniiamasistatlaodezvoltaremasivaconvertoarelor statice i a domeniilor n care sunt utilizate, determinate de: -creterea puterii (n tensiune i curent) a dispozitivelor semiconductoare -reducerea costurilor de fabricaie -apariia de dispozitive semiconductoare noi complet comandate. Posibilitateautilizriidispozitivelorsemiconductoarentr-unanumetipde convertor static este determinat de: -caracteristica static curent-tensiune-viteza de comutaie -caracteristicile de comand nfunciedeposibilitateadecomand,dispozitivelesemiconductoare folosite n construcia convertoarelor statice, se mpart n urmtoarele categorii: a)dispozitivenecomandate(diodele)lacareintrareaiieireadin conducie sunt determinate de tensiunea de polarizare aplicat dispozitivului b)dispozitivesemicomandate(tiristoarele)lacareintrareanconducie (amorsarea)sefaceprincomandpepoartiarieirea(blocarea)sefacecuun circuit de blocare special c)dispozitivecompletcomandatelacareattdeschidereacti blocarea se face prin comand aplicat pe un electrod de comand: -tranzistoarele bipolare de putere BPT (Bipolar Power Transistors) -tranzistoare MOSFET (MOS Field Effect Transistors) -tiristoarele cu blocare pe poart GTO (Gate Turn Off Thyristors) -tranzistoarebipolarecupoartizolatIGBT(IsolatedGateBipolar Transistors) -tranzistoare cu inducie static SIT (Static Induction Transistors) -tiristoarele cu inducie static SITh (Static Induction Thyristors) -tiristoarele cu comand MOS-MCT (MOS Controlled Thyristors) 9Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 2.1. Tiristorul Tiristorul este principalul dispozitiv al electronicii de putere. El este constituit dintr-o structur pnpn dispus ntre 2 electrozi - anodul A i catodul K. Dispozitivul areunelectroddecomandgrilaG(gate-poart).Tiristorul,dupcum semnificisimbolulsu,conducedoarntr-unsingursens,conduciafiind declanat, de obicei, de o comand aplicat pe poart. Amorsarea intempestiv adispozitivuluisepoateproduce,dupcumsevavedeainceleceurmeaz, atunci cnd tensiunea anodic uA depete o anumit valoare de prag UBR, sau cnd viteza de cretere a acesteia duA/dt este mai mare dect o valoare critic. Fig. 2.1. Tiristorul: simbol i caracteristic static AKGIAIGUAIHiA0UBRuAiG=0iG1iG2 Caracteristicastatic(iA,uA)dinfig.2.1prezint4regiunidefuncionare distincte: -regiunea de conducie -regiunea de blocare n conducie direct -regiunea de blocare n conducie invers -regiunea de rezisten negativ Dup cum se poate vedea din fig. 2.1, n funcionarea tiristorului se disting dou stri (regimuri de funcionare) stabile: starea de blocare, cnd tiristorul nu conduce, curentul prin el fiind practic nul,iartensiuneapedispozitivavndvalorimari,apropiatedevaloareatensiunii de alimentare; starea de conducie, n care tiristorul conduce, iar tensiunea pe dispozitiv este practic nul (1-2V). 10Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 Amorsarea sau aprinderea tiristorului este procesul de trecerea al acestuia dinblocarenconducie.Fenomenulseproducerapid,punctulstaticde funcionareparcurgndporiuneaderezistennegativdepecaracteristica static, numai dac sunt ndeplinite urmtoarele condiii: a)tensiunea pe dispozitiv este pozitiv( uA>0 ) b)exist comand pe gril(iG >0) c)curentulanodicestemaimaredectcurentuldemeninereIH(holding current) iA > IH Trebuiemenionatc,dupamorsare,comandapepoartdevine inoperant, tiristorul rmnnd n conducie un timp nedefinit, dac sunt ndeplinite condiiile a) i c) de mai sus. Blocarea (stingerea) tiristorului se poate face: a)prin scderea natural a curentului anodic iA sub valoarea de meninere IH sau prin anularea curentului anodic(iA 0) b)prindeviereacurentuluianodicprintr-oaltlaturdecircuit,de impedan sczut c)prin aplicarea unei tensiuni inverse pe tiristor (polarizare invers). ncircuitelepracticeseapliccuprecdereultimele2metodedestingere (convertoare statice cu comutaie forat). 2.1.1. Caracteristici funcionale n multe cazuri tiristorul poate trece n conducie instantaneu, fr comand pepoart.Dacvitezadecretereacurentuluianodic(diA/dt)estemaimicn comparaiecutimpulnecesarjonciunilorsemiconductoaresatingstareade conduciedirectcomplet,cudensitatedecurentuniform,acestlucruse petrece fr ca tiristorul s se distrug. ncazulncarevitezadecretereacurentuluianodic(diA/dt)estefoarte rapidncomparaiecuvitezadepropagareafenomenuluideamorsarea jonciunii,seproduceunaa-numit"punctfierbinte"(nclzirelocalputernic) datoratdensitiidecurentmarenacearegiuneajonciunii,aceastapermind trecerea n conducie. n particular, dac tiristorul este basculat de la o tensiune de blocaremarecuovaloaremareadi/dt,disipareadeputerelatrecerean 11Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 conducie a tiristorului poate duce la o cretere excesiv a temperaturii jonciunilor, ceeacedetermindistrugereadispozitivuluiprinaanumitulefectde"punct fierbinte". Viteza de cretere a curentului anodic Viteza de cretere a curentului anodic dtdi se definete astfel (vezi fig. 2.2): t10IFMIFM/2it Fig. 2.2. Viteza de cretere a curentului anodic dtdi =1FM2tI Tensiuni nominale a)TensiuneinversVROM(rep)iVROM(non-rep).nconducieinvers,tiristorul se comport ca o diod redresoare. VROM(rep) - tensiunea repetitiv invers maxim (poarta deschis). VROM(non-rep)-tensiuneanerepetitivinversmaximreprezinttensiunea invers (non) repetitiv care se poate aplica tiristorului ntre A i K cu poarta n gol (incluznd fenomenele tranzitorii neperiodice); b)TensiuneadirectdeblocaremaximVFXMsauVFOM(gateopen). Valoarea instantanee maxim a tensiunii A-K pentru care tiristorul nu basculeaz. c) Tensiunea direct maxim PFV Tiristorulpoateficomutatnconducienabsenacomenziipepoart, depindu-setensiuneadebascularedirectV(BR)FXncondiiiledetemperatur prevzute.Dei tiristoarele sunt proiectate s fie comutate n conducie prin comand pepoart,trecereanconducieprindepireaV(BR)FXnuestedistructiv,dac di/dt nu depete valoarea maxim admisibil. Unele tiristoare au indicat n foile 12Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 decatalogotensiunePFVnominal.ngeneral,aceastaestemaimicdect VFXM.(vezi fig. 2.3). Viteza de cretere a tensiunii directe (duA/dt) Ovitezmaredecretereatensiuniidirecte(A-K)poateproduce comutareaintempestivatiristoruluinconducie.ninteresulfiabilitii dispozitivului,esteimportantssecunoasccaracteristiciledefabricaieale tiristorului,pentruaserespectacapacitateadispozitivuluideasuportaefectul duA/dt. PFVVFXMu Tiristorul basculeaz n conducie numai cu comand pe poart PFVVFXMu Tiristorul poate trece n conducie dar nu sedistruge dac di/dt este n limita admis de dispozitiv PFVVFXMu Tiristorul poate trece n conducie i se poate distruge Fig. 2.3. Tensiuni nominale 13Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 Sepotdefiniurmtoarelecaracteristicialeunuitiristor,vis-a-visdeviteza de cretere a tensiuni aplicate pe dispozitiv: a) Capacitatea static de a suporta efectul duA/dt. Se consider cazurile n caresealimenteazdispozitivuldelaosursdetensiuneanodiccareare fenomene tranzitorii variabile rapid n timp. b) Viteza maxim admisibil la reaplicarea tensiunii de blocare direct. Y-AxisV/sdv02575%100150200300t50dtdvdtV40 80 120 160 tg0CFOM0 Fig. 2.4. Creterea tensiunii directe Caracteristica de blocareDacotensiunedirectseaplicunuitiristorpreadevreme,dupce nceteaz circulaia curentului anodic, tiristorul tinde s treac din nou n starea de conducie.Estedecinecesarsseatepteunintervaldetimpdefinitdup ncetareacirculaiei curentului anodic, nainte ca tensiunea direct s poat fi din nou aplicat. Intervalul ntre t3 i t8 (fig. 2.5) poate fi deci micorat pn la punctul la care se constat c tiristorul poate s suporte o tensiune direct. Acest interval nuesteconstantidepindedecivaparametri.Astfel,timpulminimntret3it8 este proporional cu: creterea temperaturii jonciunii; creterea amplitudinii curentului direct (t1-t2); viteza de scdere a curentului direct (t2-t3); 14Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 scderea curentului invers maxim (t4); scderea tensiunii inverse maxime (t5-t7); creterea vitezei de reaplicare a tensiunii de blocare direct (t8-t9); creterea tensiunii de blocare direct (t9-t10); creterea impedanei externe pe poart; polarizarea porii cu o tensiune mai pozitiv. tt tttttt t t tttt ttt1578 9 10 1 22 33446offtensiune directatensiune inversacurent directcurent invers Fig. 2.5. Caracteristicile de blocare ale tiristorului Polarizarea negativ a porii Poarta nu trebuie s fie niciodat mai negativ n raport cu catodul. Pentru aevitaacestlucru(depireatensiuniinominaleinversemaximedepoart)se conecteaz o diod, fie ntre poarta G i catod K, fie n serie cu poarta G. DaccircuitulG-Kestedeschisntimpcetiristorulconducedirect,prinel poatescurguncurentnegativconsiderabil,carepoateprovocadistrugerea tiristorului,dacnuestelimitat.Acestcurentselimiteazlnumaiprinimpedana circuitului de poart.IbRD bU E Polarizareanegativaporiicndanodulestepozitivducelacreterea V(BR)FXiacapacitiideasuportaefectulduA/dtpentruotemperaturdata jonciunii.EfectulnegativriiporiiesteimportantpentruV(BR)FXncazul 15Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 tiristoarelorcuosuprafamicajonciunii.SursaEbirezistenaRsealegn cazul b) astfel nct IbIFXM - curentul de blocare direct (pentru un tiristor de mic putere are o valoare < 5A). RIsIFXM+ -EbRIFXM+ -IG

a)b) Fig. 2.6. Situaii de polarizare negativ a porii a) tensiune de polarizare; b) curent de polarizare Bascularea pe poart n c.c. Funcia de baz a circuitului de comand este aceea de surs simultan de curentdepoartdebasculareIGTidetensiunedepoartdebasculareVGT asociat acestui curent. Poriunea haurat din fig. 2.7 conine toate punctele posibile de basculare (IGT, VGT) pentru condiiile limit specificate. Acestea sunt: (A) - (B) limitele ariei de comand de preferin (C) - tensiunea de poart direct de vrf, nominal admisibil VGF; (D) - puterea de poart maxim nominal admisibil PGM Dreapta de sarcin Dreaptadesarcintrebuiesintersectezecaracteristicadepoarta tiristorului n regiunea de comand recomandat. Interseciareprezintpunctulstaticdefuncionareelitrebuiesfie localizat,pectposibil,napropiereacurbeideputeredepoartmaxim admisibil.Timpuldecretereacurentuluidepoarttrebuiesfiedemaimuli amperi/s, pentru a micora timpul de basculare n conducie (amorsare), mai ales 16Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 lacomutareacurenilormari.Aceastavaducelaodisipareminimntimpul comutrii anodice i la o instabilitate minim. 0,4 0,8 1,2 1,6 2,4 2,8Curent de poart instantaneu[A]Tensiune de poart instantanee [V]0 2 4 6 8 10(A)(B)(C)(D)Putere de poart instantanee maximadmisibilArie de comand depreferint0123+1250C-650C Fig. 2.7. Condiii de basculare iGISC(D)(B)Caracteristica SCR Fig. 2.8. Dreapta de sarcin Tensiunea de poart, pozitiv, la care tiristorul nu trece n conducie nfig.2.9seobservcexistotensiunemaximdepoart(pozitiv)la caretiristorulnubasculeaz n conducie. De exemplu, pentru tiristorul 2N681, la 1250C,aceasttensiuneestede0,25V.Aceastlimitesteimportantcndse proiecteaz circuitul de comand, care poate avea un curent de scurgere cnd nu existsemnaldebasculare(cuplareadirectacircuitelordecomandcuTUJ). Pentruaprevenicomutrilefalse,trebuieconectatorezistenRGlabornele circuitului de comand. Valoarea ei n ohmi nu trebuie s depeasc valoarea: 17Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 RG= repaos de maxim curentbasculeaza nu care la poarta de maxima tensiunea VGTiVGg Fig. 2.9. Domeniul tensiunii de comand pe poart 2.1.2. Tipuri de tiristoare a)ASCRAsymetricalControlledRectifiertiristorulcublocare asimetric.Areuntimpredusdedezamorsaretq,dartensiuneacepoatefi blocat n sens invers este mai mic dect cea n sens direct: VRRM < VDRM. AKGFig. 2.10. Simbolul tiristorului ASCR b)RCT Reverse Conductivity Thyristor modulultiristor diod. AKGAKG Fig. 2.11. Simbolul tiristorului RCT Esteconstituitdintr-untiristorasimetriciodiodredresoare,conectate antiparalel. Comparativ cu tiristoarele normale, acest tip de tiristor are un timp de reveniretqcu40%maimiciocderedetensiunensensdirectcu30%mai 18Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 mic dect tiristorul obinuit. Permite pante de cretere a tensiunii anodice duA/dt de pn la 1000V/s. tttqIAUAtrq00 Fig. 2.12. Timpul de amorsare ai unui RCT c)Tiristoarecucomandoptic-sunttiristoarecarepotficomandatecu un impuls luminos, n UV sau IR (optotiristoare, fototiristoare). Se folosesc la liniile de c.c. de nalt tensiune. AKG 2.1.3. Transformatoare de impulsuri (TI) Transformatoareledeimpulsurisuntutilizate,deobicei,pentruacupla generatoruldeimpulsuridedeclanarelapoartatiristorului.Astfelseobineio izolaregalvanicntreceledoucircuitecircuituldecomandicircuitulde sarcin (circuitul de putere). Transformatoarelefolosite,deobicei,pentrucomandatiristoarelor,au raportul de transformare 1:1 la 2 nfurri, sau 1:1:1 la 3 nfurri. TI poate fi conectat direct ntre poarta G i catodul K, sau poate avea cte o rezisten serie pentru fiecare nfurare, pentru a reduce curentul de blocare al tiristorului,sauodiodseriepentruaprevenicureniiinveridepoart.Aceast 19Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 diod reduce, de asemenea, curentul de blocare al tiristorului. n toate cazurile n careexistunnivelmarealzgomotului,estenecesarssencarcesecundarul transformatorului cu o rezisten pentru a preveni comenzile false.T P G a) T P GSCR1SCR21:1:1TI b) Fig. 2.13. Transformatoare de impulsuri pentru comanda tiristorului a)cu 2 nfurri secundare; b) cu 3 nfurri secundare Ometodsimpldetestaunuitransformatordeimpulsuriestefolosirea unui generator de impulsuri (TPG) pentru a comanda o rezisten de20i apoi folosireaTIpentrucomandareaaceleiairezistene.Dacformaimpulsurilorla bornele rezistenei este aceeai, transformatorul este perfect. Factoriidecaretrebuieinutseamlaproiectareatransformatoarelorde impulsuri sunt urmtorii: inductanademagnetizareaprimaruluitrebuiesfiesuficientdemare astfel nct curentul de magnetizare s fie mic n comparaie cu pulsul de curent; deoarececelemaimultegeneratoaredeimpulsurisuntunilaterale, saturarea miezului trebuie evitat; izolaia ntre nfurri trebuie s fie adecvat pentru aplicaie, incluznd fenomenele tranzitorii; Capacitile ntre nfurri sunt de obicei nesemnificative, dar pot deveni suprtoare la semnale sporadice (parazite) de frecven nalt. 20Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 2.2. Triacul Triacul difer de tiristor prin faptul c poate conduce n ambele sensuri, cu semnal de comand pe poart pozitiv sau negativ.Versatilitateatriaculuiisimplitateautilizriiluilfacidealpentruomare varietate de aplicaii care implic controlul puterii de c.a. n nnpnpTT G2121 43n412GT1T2Fig. 2.14. Triacul: structur fizic i simbol RegiuneadirectntreT1 iT2estenesenuncomutatorp-n-p-n,n paralel cu un comutator n-p-n-p. 2.2.1. Caracteristici funcionale Regiuneaporiiesteunaranjamentmaicomplex,careseconsiderc poate lucra n fiecare din urmtoarele 4 moduri: T2 (+), curent de poart pozitiv; T2 (+), curent de poart negativ; T2 (-), curent de poart negativ; T2 (-), curent de poart pozitiv. De obicei, n studiul funcionrii triacului se ia ca punct de referin T1.V(BR) - dac V > V(BR),triacul comut n stare de conducie i rmne aa pn cnd curentul scade sub curentul de meninere (holding current) IH. ntructtriaculpoateficomutatcuuncurentdepoartpozitivsaunegativ demicenergie,nfiecaredincele4cadrane,proiectantularemaimulte posibiliti de alegere a modului de comand. Comutareapoatefirealizatnc.c.,nc.a.redresatsauc.a.,cuimpulsuri de la TUJ, cu lmpi cu neon, cu diac etc. 21Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 Fig. 2.15. Caracteristica static a triacului -V(BR)Cadranul QI(BR)+V+IA+VQIIG=0(T+)2IHIG=0Q IIIT -2( ) Moduri de comutare: I+; Q1, curent i tensiune de poart (+); II-; Q1, curent de poart (+) i tensiune (-); III+; Q3, curent de poart (-) i tensiune(+); IV-; Q3, curent i tensiune de poart (-); Sensibilitatea triacului este mai mare n modurile [I+] i [III-], mai mic n [I-] i cea mai mic n [III+]. Modul [III-] nu trebuie folosit dect n circuite speciale. Sursa de impulsuri dreptunghiulare aplicat pe poart furnizeaz impulsuri avnd timpul de cretere egal cu cca.10% din lrgimea impulsului. Odiferenimportantntrefolosireauneiperechidetiristoareifolosirea unuitriacntr-uncircuitdec.a.esteaceeactiristorulareladispoziiepentru stingere (turn off ) o jumtate de ciclu (o semialternan a tensiunii de alimentare), pe cnd triacul trebuie s comute n blocare n timpul trecerii prin zero a curentului de sarcin.Abilitatea triacului de a amorsa sau de a trece n blocare depinde puternic detemperatur.Blocareatriacului,cndcomandapepoartestendeprtat, semnific faptul c temperatura maxim a jonciunii nu a fost depit. Folosireatriaculuilasarciniputernicinductivepunectevaprobleme deosebite.UnadinacesteaestecomutareadatoratefectuluiduA/dt(vitezade cretere a tensiunii anodice directe).ntr-un circuit inductiv, curentul este defazat 22Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 nurmatensiuniiiatingevaloareazeropuindupcetensiuneaaatinso polaritate invers (fig. 2.16). Deoarecetriaculseblocheazlacurentzeroinpunctulrespectivnu existcurentprininductan,tensiuneadelinieinstantaneeaparepetriaclao vitez de cretere limitat numai de capacitatea de fug i de capacitatea triacului, Cs.Pentrucatriaculscomuteoffcucertitudineestenecesar,adesea,sse limiteze viteza de cretere a tensiunii cu o capacitate adiional de protecie C1. Fig. 2.16. Defazarea curentului prin triac n urma tensiuniicurent de sarcinatensiuneanodice n cazul sarcinilor inductive Deasemenea,estenecesarorezistenR1pentruamortizarea supracreterilordetensiunedatoratesarcinilorinductiveicareslimiteze oscilaiile curentului ce trece prin condensator cnd triacul conduce (fig. 2.17). L RRCC11SSarcina Fig. 2.17. Conectarea triacului n circuit Pentrucelemaimulteaplicaiicusarciniinductive,valorilede100i 0,1FpentruR1iC1limiteazvitezadecretereatensiuniipetiristorduA/dtla cca.1V/s.ValoareaexactaluiR1trebuiedeterminatpentruamortizarea necesar n cazul fiecrei aplicaii n parte. 23Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 Comutarea sincron (la tensiune zero) ncazulfuncionriitiristoarelorsautriacelorcaicomutatoare,variaiile brute ale curentului anodic cauzeaz o cretere considerabil a interferenelor de radiofrecven (RFI) care sunt generate. n comutarea unor sarcini rezistive mari, cum ar fi radiatoarele, este de dorit minimizarea valorii RFI generate. Una din cile posibile pentru a realiza aceasta este comutarea triacului (sau tiristorului) ct mai aproapeposibildepunctulncaretensiuneadealimentaretreceprinzero. Aceast metod este cunoscut drept comutare sincron sau la tensiune zero. Comutarealatensiunezeroesteutilizatpelargncircuiteledecontrola temperaturii, mpreun cu tehnica controlului proporional. Aceastmetod(comandon-off)permitevariaiaputeriimediiaplicate sarcinii,prinalternareaciclurilorcompletedeconducie(on)respectivdeblocare (off), a curentului prin sarcin. 2.3. Dispozitive semiconductoarecomplet comandate Caracteristica principal a acestei categorii de dispozitive semiconductoare este posibilitatea blocrii prin comand pe un electrod. i uTT Fig. 2.18. Simbolul unui dispozitiv complet comandat Caracteristicile principale ale unui element complet comandat ideal sunt: a)n stare blocat curentul prin dispozitiv este nul b)n stare de conducie tensiunea pe element este nul c) trecerea din blocare n conducie sau invers se face instantaneu 24Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 2.3.1. Tiristorul cu blocare pe poart (GTO) GTOreprezintabreviereadenumiriidispozitivuluinlimbaenglez:Gate-Turn-Off-Thyristor. Tiristorul cu blocare pe poart (cu comand bilateral) este un dispozitivcustructurpnpn,carepoatefiamorsatlafelcaitiristorul,darcare poatefiiblocattotprincomandpepoart,prinaplicareaunuiimpulsde tensiune negativ. Aceast proprietate confer cteva avantaje: -flexibilitatemaimarenutilizareaGTOlaconstruciaconvertoarelor statice; -reducerea gabaritului schemelor de comand prin reducerea numrului de componente folosite; -creterea fiabilitii. Fig. 2.19. Simbolul GTO AKGIAUAKIG Schemele pentru comanda GTO sunt complexe i la proiectarea lor trebuie s se in seama de cteva caracteristici speciale ale acestui dispozitiv: -amplitudineaidurataimpulsurilornegativedeblocaresuntmaimari dect valorile tipice ale parametrilor corespunztori impulsurilorde amorsare -valoarea maxim a tensiunii inverse este limitat -rezistena gril-catod crete substanial n timpul procesului de blocare, ceeaceprovoacoreducereprogresivaccentuatacurentuluidecomand extras din poart -ctigul operaional n curent, la blocare, are valori cuprinse ntre 1 i 4, ceea ce reprezint unul dintre principalele dezavantaje ale GTO. Avantaje: -micorarea numrului componentelor electronice de putere -reducerea gabaritului -creterea fiabilitii -micorarea costurilor 25Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 Schemele folosite pentru comanda GTO sunt scheme complexe. Parametrii specifici ai unui GTO sunt: 1.Curentulanodicmaximcontrolabilpepoartnregimnerepetitiv curentulcarepoatefintreruptsigur,printr-unimpulsnegativaplicatpepoart (gril) - ITQRM 2.CurentulanodicmaximcontrolabilpepoartnmodrepetitivITQRM valoarea maxim a curentului ce poate fi ntrerupt sigur, n mod repetat trebuie precizat i frecvena de comand ITQRM < ITQM (de cteva ori chiar). 3.Timpuldeblocaretqcaresespecific,deregul,pentrucurentul anodic ITQRM, la temperatura maxim a jonciunii este timpul care se scurge de la aplicareaimpulsuluinegativdeblocarepegrilpnlablocareaferma tiristorului. 4.Valoarea critic a pantei de cretere a tensiunii reaplicate n sens direct, la stingerea tiristorului dVD/dt critic. 5.Tensiunea invers maxim pe poart VGRM valoarea maxim absolut a tensiunii negative ce poate fi aplicat pe gril: (-7 -20)V. 6.Rata critic de cretere a curentului invers pe poart diGR/dt critic- poate fi cuprins ntre 1A/s 30A/s. 7.Raportul4 1 =GRMTQRMII-deciestenecesaruncurentdeblocarepe poarta G de acelai ordin de mrime cu curentul de amorsare ITQRM. Observaii 1.Deobicei,amplitudineaidurataimpulsurilornegativedeblocarepe gril sunt superioare celor de amorsare (vezi figura de mai jos). iGIGPIGCIGR0t 26Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 2.PetoatdurataconducieiGTOtrebuiemeninutuncurentdegrilIGC diferit de 0, pozitiv, de valoare redus. 3.Pentrulimitareapierderilorlaamorsare,curentuldeamorsareareun vrf IGP de durat redus. 4.Aplicareaimpulsurilordeamorsare/stingereseface,deobicei,printr-un transformatordeimpulsurisaucuschemecareutilizeaztranzistoareMOSFET. TrebuieremarcatcvaloarearezisteneispaiuluiG-Kvariazmultntimpul trecerii din conducie n blocare (de la valori de ordinul a 10m lasute de ohmi). 2.3.2. Tranzistoare bipolare de putere (BPT) Tranzistorul lucreaz, de obicei, n regim de comutaie (blocat/saturat), deci trebuie luat n consideraie sat, care are valoarea uzualsat = 5 10. Pentru a evita folosirea unor cureni de comand pe baz de valoare mare se folosesc structuri de tip Darlington. Fig. 2.20. Structur Darlington cu tranzistoare bipolare npn Deoarece tranzistoarele bipolare nu pot prelua tensiuni inverse, se folosesc diode conectate antiparalel cu tranzistoarele. Parametrii de interes: 1.Curentul mediu maxim de colector, n regim permanent ICM 2.Curentul de colector de vrf n regim tranzitoriu (10 ms) 3.VCE0 tensiunea colector-emitor n stare blocat, cu baza nepolarizat 4.VCEXtensiuneacolector-emitornstareblocat,cubazapolarizat negativ (VCE0 max 1400V; ICM = 300A) 5.Frecvena maxim de lucru (0,5 5KHz) 27Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 Observaie Latrecereadinsaturaienblocare,pentrumicorareatimpuluide comutare, pe baza tranzistorului bipolar trebuie aplicate impulsuri de tensiune de o form special, care s duc la apariia unui impuls de curent de baz negativ, de valoaremare.Acestavapermiteextragerearapiddinbazapurttorilorde sarcin n exces, ducnd la anularea rapid a IC i deci la blocarea dispozitivului. 2.3.3. Tranzistoare MOSFET de putere Acesttipdetranzistoares-adezvoltatrapiddup1980,nlocuindtreptat tranzistoarele bipolare BPT, n special n aplicaiile de putere de frecven nalt. DGSiDCanal "n"DGSiDCanal "p"+ -- + UGSPIDUGS0Fig. 2.21. Tranzistorul MOSFET de putere: simboluri i caracteristica de transfer pentru un tranzistor cu canal n TehnologiadefabricareatranzistoarelordeputereMOSFETcucanaln estemaisimplideaceeanelectronicadeputeresefoloseteaproapen exclusivitate acest tip de tranzistoare. Pentru conducie, un tranzistor MOSFET cu canal n are nevoie de o tensiune de poart pozitiv mai mare dect o tensiune de prag (threshold):UGS > UGSP

Timpiideconduciesuntdeordinul102ns,decifrecvenadelucruesten plaja (30 100) KHz. Valori uzuale pentru tranzistoarele MOSFET de putere moderne: UDS > 1000V pentru ID = (10 20)A UDS ~ 102V pentru ID > 100A UGS Max = 20V (poate fi i de 5V) 28Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 Valorile limit absolute: 1.UDSM tensiune dren-surs maxim admis 2.UGSM tensiune gril-surs maxim admis Pentruocomutaierapid,curentuldegrilpoateluavaloridevrfde ordinul 1A sau mai mult. Semnalul de comand obinut de la un circuit logic sau de la un P trebuie amplificat. Circuitele de comand trebuie s poat asigura forma corespunztoare a semnalului necesar pe poart G. Comparaie ntre tranzistoarele MOS de putere i cele bipolare Pe lng avantajul c purttorii de sarcin sunt de un singur tip i datorit acestuifaptnuaparproblemelegatedeevacuareasarciniinexcessocate, tranzistoarele MOS de putere au, fa de tranzistoarele bipolare i alte avantaje: -fiabilitate mai mare -reproductibilitate mai bun a parametrilor-comanda se face n tensiune, puterea necesar fiind mult mai mic -timpiidecomutaiesuntmairedui,decifrecvenadelucruestemai mare -absenafenomenuluidestrpungeresecundariaaanumitelor puncte fierbini -capabilitate mai mare de suprancrcare n curent Dintre dezavantaje trebuie menionate urmtoarele: -costuri mai mari pentru aceeai putere -rezistenaechivalentnblocare(stareoff)maimicdectncazul tranzistoarelor bipolare -rezistena echivalent nstare de saturaie (stare on) mai mare dect n cazul tranzistoarelor bipolare -cdereadetensiunepedispozitivnstaredeconducieestemaimare dect tensiunea corespunztoare de saturaie a tranzistoarelor bipolare 29Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 2.3.4.Tranzistoare bipolare cu poarta izolat (IGBT) Tranzistorul IGBT este derivat dintr-un tranzistor MOSFET cu canal n i are ostructurn+pn-n+p+orientatvertical.TranzistorulMOSasiguruncontrol riguros asupra proceselor de amorsare, blocare i conducie direct. Acesttipdedispozitiveanceputsfiecomercializatdinanul1983i datoritproprietilorsaletindesnlocuiasctreptattranzistoarelebipolaren toate aplicaiile de putere. Tranzistorul IGBT mbin avantajele tiristorului GTO (posibilitatea de blocare n sens invers), cu ale BPT i ale tranzistoarelor MOSFET. Astfel: -comandadispozitivuluisefacentensiuneceeaceimplicunconsum de putere redus - frecven de comand este mai ridicat-rezisten n stare on mai redus dect la BPT, deci cdere de tensiune pe dispozitiv mai mic; -circuite de comand mult mai simple. uCEGCEuGEiCuCEGCEuGEiCUGSP UGS0IDiC0uCEuRMuCEMaxuGS cresteuGS4uGS3uGS2uGS1Fig. 2.22. Tranzistorul bipolar cu baza (poarta) izolat (IGBT):simboluri folosite i caracteristicile statice Valori limit orientative: -UCEMax (UDSMax) ~ 1800V 30Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 -UGSMax (UGSMax) -ICM (IDmax) ~ 200A -panta de variaie a tensiunii n sens direct maxdtduCE -timpul de comutaie: 1 - 4s -frecvena de lucru: 2 20KHz Comanda tranzistoarelor IGBT este simular cu a tranzistoarelor MOSFET. 2.3.5. Tranzistoare cu inducie static (SIT) Denumireaprovinedelafaptulc,pentrucontrolulacestordispozitive,se utilizeazcmpulelectrostatic,indusprincomand.Comparativcutranzistoarele MOSFET, puterile sunt similare dar frecvenele de lucru sunt mult mai mari. n conducie direct cderea de tensiune pe dispozitiv poate ajunge la 15V. n+n+p+ p+ p+DG GSGDSuGSuDSiDDSiDGuDS Fig. 2.23. Tranzistorul cu inducie static (SIT): structur fizici simboluri folosite uDSUDS1UDS2UDS30iDUGS1=0UGS3=UGSMaxUGS2=UGSMax/2uDSuGS - UGSMax- UGSMax20a)b) Fig. 2.24. Tranzistorul cu inducie static (SIT): caracteristici statice a) caracteristica de ieire; b) caracteristica de transfer 31Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 Ca i tranzistoarele BPT i MOSFET, SIT nu poate prelua tensiuni n sens invers, iar polarizate direct ele se comport astfel: -nabsenauneitensiunidegrilUGSdispozitivulsecomportcao diod, dar cderea de tensiune este mult mai mare (~ 15V) -nprezenauneitensiuniUGS 2000V/s, n paralel cu SITh se monteaz un grup RC. 2.3.7. Tiristoare cu comand (poart) MOS (MCT) Caracteristici principale - n aceeai pastil sunt ncorporate: -1 tiristorobinuit sau un tiristor cu blocare pe poart (GTO) -2tranzistoareMOSFET,utilizateunulpentruamorsareiunul pentru blocare; -Frecvena de lucru este mai mic dect la IGBT (1 3 KHz); -Cderea de tensiune n condiie direct este mic (1,1V); -Cureni n conducie direct foarte mari. Dezavantajul principal acestui dispozitiv este nesimetria la blocare. Important! Tensiunea de comand UGA se aplic ntre gril G i anod A. Valori limit orientative: -UDRM tensiunea repetitiv, maxim admisibil n sens direct -ITM curentul maxim admisibil n sens direct (dependent de Tjonct) -UGNMax valoarea negativ maxim admisibil a UGA (UGNMax -20V) 34Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 2 UGPMvaloareapozitiv,maximadmisibilaUGA(pentruUGAM20V) UDRM0 3000V; ITM 300A. a)b) UGAThuGA0iTuAK0iTUDRMaxUGA>0UGA0,decise transmiteputereactivdelaredresorspresarcin,regimuldefuncionare numindu-se"de redresor"; 49Convertoare statice. Curs introductivCapitolul 4 pentruunghiuri( /2, );putereaactivestenegativP