TEHOELEKTRONIIKKA DIODIT

Transkriptio

1 TEHOELEKTRONIIKKA H. Honkanen Tehoelektroniikalla käsitetään elektroniikkaa, jolla käsitellään suuria tehoja, jännitteet ja virrat ovat suuria. Tehoelektroniikka poikkeaa pientehoelektroniikasta merkittävästi, esimerkiksi puolijohdekomponentit vaativat lähes aina jonkinmoisen suojapiirin. Yleisin käyttö elektroniikalle on säätää laitteen tehoa tai pyörintänopeutta elektronisesti. Puolijohteet toimivat kytkintyyppisesti. DIODIT PIN DIODI Suuria estosuuntaisia jännitteitä kestää PIN diodi. Näissä komponentin keskialue on heikosti saostettua piitä ( i=intrinsic ), yleensä N tyyppistä. Heikosti saostetun alueen tarkoituksena on juuri jännitekestoisuuden lisääminen. Estotilassa PIN diodin vuotovirta on hyvin pieni Johtavassa tilassa PIN diodi ei merkittävästi eroa normaalista PN diodista, jännitehäviö on hiukan suurempi i alueen suuremmasta resistiivisyydestä johtuen. Jos virta laskee nopeasti nollaan, aiheuttaa laaja liitosalue, joka sisältää runsaasti varauksenkuljettajia, ongelmia. Diodi ei menekään heti estotilaan. Tästä seuraa ns. takavirta, jolloin diodi johtaa jonkin aikaa myös estosuuntaan. Takavirran kestoaika = t RR. PIN diodit eritelläänkin juuri takavirran kestoajan mukaisesti nopeisiin ja hitaisiin tyyppeihin. Hitaat soveltuvat vain verkkotaajuuksille ( 50 Hz ) Johtoviive ( t ON ) on aika, joka diodilta menee johtavuuden aikaansaamiseksi. Aika ei ole suuri, mutta voi olla haitallisen pitkä suojauskytkennöissä Kuva: PIN diodin rakenne SOFT-RECOVERY Soft recovery PIN diodeissa sähkökenttä jakautuu epätasaisemmin, jolloin takavirta on pienempi ja muoto pyöreämpi. Muutoin se häviää jännitekestoisuudessaan ja jännitehäviössään perusmallille AVALANCHE DIODI Avalanche diodi kestää myös estosuuntaisen purkauksen. Tämän mahdollista tasainen sähkökentän jakauma koko liitosalueella. Näin tasainen saostus saadaan aikaan vain neutronisäteilytettyyn piihin.

2 SCHOTTKY DIODI Schottky- diodi perustuu metallin ja kahden N-tyypin ( toinen heikosti ja toinen vahvasti saostettu ) puolijohteen rajapintayhdistelmään. Toimintarajapinta muodostuu heikommin saostetun puolijohteen ja metallin välille. Etuina schottky diodissa on nopeus ja pieni kynnysjännite, eli siis pienet häviöt. Ongelmana vaatimaton jännitekestoisuus, parhaimmillaankin alle 100 V. Käytetään yleisesti hakkuriteholähteissä. Kuva: Schottky diodi KYTKINKOMPONENTIT Suuntaa antava kaavio eri kytkinkomponenttien toiminta-alueista:

3 PIIRROSMERKKEJÄ : Tyristori Tyristori TRIAC GTO DIAC UJT KOTELOINTI Pienemmillä tehonkestoilla ( ja häviötehoilla ) käytetään piirilevylle juotettavia komponentteja: TO-220 TO-247 TO-3P, TOP-3 TO-200 Suuren tehonkeston omaavissa tehokomponenteissa käytetään moduli tyyppistä kotelointia: SOT-227B TO-65 SEMIPACK-1 TO-200 TRANSISTORI KYTKINKÄYTÖSSÄ Kytkinkäytössä olevaa transistoria ohjataan joko johtamattomaksi ( Auki ) tai johtavaksi ( Kiinni ). Tärkeimpiä toimintakriteerejä ovat: Maksimi virta Maksimi Auki tilan jännitteensieto Johtavan tilan jännitehäviö Tilanvaihtojen nopeus ja hitaudesta johtuva tehohäviö Ohjausenergian tarve Ohjausjännitteen tarve Ulkoisten komponenttien tarve Vertailu, BJT ja FET saturaatiotilassa:

4 Bibolaaritransistori, BJT Ohjataan virralla ( Kantavirta ), jonka tulee kytkinkäytössä olla aika suuri Darlington- kytketyssä transistorissa on kaksi transistoria sarjassa, ensimmäisellä ohjataan tehoasteen kantavirtaa. Darlington kytkentä pienentää ohjausenergian tarpeen pieneksi, mutta hidastaa asteen toimintaa muutostilanteissa. Darlington kytkettyjä transistoreita löytyy valmiina, mutta voidaan toteuttaa myös erilliskomponenetein. Yleisiä ominaisuuksia: + Pieni johtavan tilan jännitehäviö ( ja samalla tehohäviö ) suurilla virroilla - Hitaahko muutos johtavaksi -> Tehohäviöitä - Suuri ohjaustehon tarve Kuvassa yleisimmät BJT kytkintransistorirakenteet ( NPN ): BJT:n ohjaaminen: BJT vaatii täysin johtavaksi mennäkseen yliohjausta, eli hieman suurempaa kantavirtaa, kuin transistorin hfe arvosta voisi päätellä. Tämän vuoksi kytkinkäytössä on oma virtavahvistuskertoimensa, kyllästystilan virtavahvistus, Kytkentä- ja sammutustilanteissa virran tulisi olla vieläkin suurempi (sammutustilanteessa lievä negatiivinen piikki), jotta kytkeytymis- ja sammutusaika saataisiin mahdollisimman pieniksi, eikä tarpeettoman suurta kantavirtaa pidettäisi yllä koko aikaa. Liian suuri kantavirta hidastaa avautumisaikaa Pienitehoisissa piireissä voidaan vielä käyttää pelkkää kantavastusta Suurempitehoisissa piireissä on käytettävä lisäksi rinnan kytkettyä kondensaattoria ( kuvassa ) tai pulssipiireissä suosittua ohjausmuuntajaa BJT ja BJT_Darlington rinnankytkentä: o Koska BE-välin jännite ( Ohjausjännite ) ja johtavuus paranevat lämpötilan noustessa, puhtaassa rinnankytkennässä virta ohjautuisi kuitenkin sen parhaiten johtavan läpi. Tämän tasoittamiseksi tarvitsemme emitterivastukset, joiden jännitehäviö on 0,2 V luokkaa maksimivirralla.

5 FET MOSFET:lla ei voida kytkeä kovinkaan suuria tehoja ( maksimi muutama kymmenen ampeeria ) MOSFET:n johtavan tilan häviö käyttäytyy resistanssin tavoin, eli tehohäviö kasvaa virran neliössä MOSFET:n johtavan tilan resistanssi ja jännitekesto ovat käänteisiä parametreja, eli jännitteenkeston lisääminen kasvattaa johtavan tilan resistanssia ja samalla myös johtavan tilan häviötä MOSFET:n hyviä puolia ovat pienet kytkentähäviöt ( oikein ohjattuna ), josta seuraa mahdollisuus käyttää suurta kytkentätaajuutta. Myös ohjauspiirin rakenne on yksinkertainen. Kytkintransistoreina käytetään ainoastaan avaustyyppisiä FET:ja N- tyypin MOSFET P-tyypin MOSFET Ohjataan jännitteellä, jonka tulee, tyypistä riippuen, olla 3 V 10 V täysin johtavaksi saamista varten Yleisiä ominaisuuksia: + Nopeat tilanvaihdot + Pieni ohjausenergian tarve - Johtavan tilan resistanssi resistanssiluonteinen, tehohäviö kasvaa virran neliössä - Tuloaste kapasitiivisluonteinen, vaatii ohjaustehoa tilanvaihdon aikana FET:n hilan resistanssihan on lähes ääretön, mutta hilan kapasitanssi Drainille ja varsinkin Sourcelle on suurehko. Miller kapasitanssi lisää vielä DG välin kapasitanssin vaikutuksen monikertaiseksi. Tämän vuoksi myös FET ohjauspiirin on pystyttävä antamaan muutostilanteessa suurehko virta! Miller efekti aikaansaa avaustilanteessa lisää ongelmia: DG välisen jännitteen nousun johdosta kapasitanssi DG välillä syöttää virtaa hilalle. Tämä voi aikaansaada värähtelytaipumusta ja pahimmillaan jännite voi nousta niin ylös, että hilan läpilyöntikestoisuus ylittyy ja GS välillä tapahtuu läpilyönti. Tämähän tuhoaisi komponentin. Hilapiirillä tuleekin tämän vuoksi olla pieni resistanssi. Pieni resistanssi ( luokkaa ) kuitenkin vaaditaan, jottei ylitettäisi DS välin suurinta sallittua du/dt arvoa. Hilalta maihin on lisäksi suositeltavaa kytkeä nopea suojazener, varsinkin, jos sarjavastus on suurehko. Rinnankytkennässä on käytettävä erillisiä hilavastuksia! FET:n rinnankytkentä: o FET:llä johtavuus huononee lämpötilan noustessa, joten suoraa rinnankytkentää voidaan ( ja tuleekin ) käyttää. Hilavastus ( muutama kymmenen ohmia ) tulee olla jokaisella FET:llä omansa: Kuva: FET: n rinnankytkentä Huom! Kuvassa ei ole useimmiten tarvittavaa DS välin RC suojapiiriä!!

6 IGBT ( Insulated Gate Bibolar Transistor ) IGBT on yhdistelmä FET ja BJT tekniikkaa, ohjausaste on pienellä ohjausenergialla toimivaa FET tekniikkaa ja lähtöaste pienempihäviöistä BJT tekniikkaa Kuvassa IGBT:n piirrosmerkki Ominaisuudet: o Pieni ohjausenergian tarve o Pienet DC häviöt o Suurehkot kytkentähäviöt TYRISTORI Kuva: Tyristorinrakenne ja piirrosmerkki Tyristori syttyy eli menee johtavaksi seuraavista syistä: 1. Anodin ja katodin välinen jännite ylittää arvon U BO 2. Anodin ja katodin välinen jännite nousee liian nopeasti ( U / t ), tämähän johtuu siitä, että puolijohderajapintojen välillä on kapasitanssia, josta tulee tällöin liipaisuun tarvittava pulssi 3. Hilan kautta kulkee riittävän suuri tasavirta 4. Hila saa hetkellisen virtapulssin Tapa 4 on tyristorin normaali liipaisutapa Tyristorin toiminta: Lähtötilanne: Tyristorin yli vaikuttaa myötäsuuntainen jännite, V D. Jos nyt tyristorin hilalle tuodaan liipaisupulssi, kulkee piirissä hetken hilavirta I G. Hilavirran vaikutuksesta anodivirta alkaa nousta. Virran tulee nousta vähintään arvoon I L ( Latching Current, lukkiutumisvirta ). Tällöin tyristori jää johtavaksi. Jos johtavan tyristorin virta pienenee alle pitovirran, I H ( Holding Current ), tyristori lopettaa johtamisen. Liipaisupiiriesimerkkejä erillisessä monisteessa TRIAC Kaksisuuntainen tyristori. Rakentuu kahdesta tyristorista, jotka komponentissa rakennettu samaan piipalaan. Toimii täten molemmilla puolijaksoilla

7 GTO ( Gate Turn Off ) Hilalta sammutettava tyristori. Asetetaan johtavaksi normaalisti, eli positiivisella virtapiikillä. Voidaan sammuttaa ( eli asettaa johtamattomaan tilaan ) negatiivisella virtapiikillä. GTO tyristori vaattii lähes aina ( Jos ja kun kuormassa on induktiivista osuutta ) RC suojan. ks. suojapiirit -osio Suurtehoilla GTO:n liipaisupiiri on jo melko monimutkainen. Komponentin valmistajan sovellusohjeissa on usein esimerkkikytkentöjä mitoitusohjeineen. IGCT, GCT, HD-GTO ( Integraded Gate Commutated Thyristor ) Hilarakenteeltaan kehitetty GTO. Nopeampi katkaisu, kuin GTO:lla, seurauksena parempi jännitekesto. Voidaan yleensä käyttää jopa ilman RC -suojaa KOMPONENTTIEN SUOJAUS / SUOJAPIIRIT YLEISTÄ: Suojauksen tarkoituksena on estää tehopuolijohteen tuhoutuminen sekä normaalin toiminnan, että vikatilanteiden aikana Normaalitoiminnassa komponentti tulee suojata: Ylijännitteeltä o Korkeita jännitteitä esiintyy aina induktanssia sisältävissä piireissä. Nopea virrankatkaisuhan saa aikaan virran muutosnopeuteen verrannollisen jännitteen, joka useimmiten ilman suojausta riittäisi tuhoamaan komponentin o Ylijännitteitä esiintyy myös ilmastollisista syistä ( ukkonen ) ja myöskin syöttöveekossa tapahtuu jänniteheilahteluita kytkettäessä ja irrotettaessa kuormia du/dt rasitus o Myös suuret jännitteen nousunopeudet aiheutuvat useimmiten induktansseista o Komponenteilla on rajallinen sähkökentän muutoksen sieto o Tyristorit syttyvät itsestään, jos jännitteen nousunopeus on liian suuri o EMC määräyksten toteuttaminen vaatii myös jännitteen nousunopeuksien hillitsemistä o Heijastusilmiöt pitkissä kaapeleissa, esiintyy varsinkin pitkillä syöttöjohdoilla taajuusmuuttajilla di/dt rasitus o Tarvitaan rajoittamaan kytkentähäviöitä kytkentätilanteissa, suurin osa tehokomponenttien tehohäviöistä syntyy kytkentätilanteissa Vikatilanteissa komponentit tulee suojata: Ylivirralta o Syinä ylikuorma, oikosulku, komponenttivika tai ohjauselektroniikan vika o Ylikuormalta voidaan suojata elektronisilla piireillä o Oikosulku- ja komponenttivikoja varten tarvitaan sulakesuojaus o Tyristorit on helppo suojata nopeilla sulakkeilla o GTO tyristorien oikosulkukestoisuus on tavallisia tyristoreita heikompaa, joten niiden sulakesuojaus on vaikeampaa o Transistoreiden oikosulkukestoisuus on heikko, niinpä sulakkeet eivät ehdi transistoria suojata, niinpä sulakkeet ovatkin vain suojaamassa koko kytkentää pahemmilta tuhoilta. Yleensä käytetään aktiivisia suojapiirejä, joissa virrranmittaus tapahtuu shunttivastuksen tai kantavirrran avulla Ylilämmöltä o Ylilämpenemistä voi esiintyä jäähdytyksen vioituttua ( Pöly, puhallinvika yms ) o Ylikuormitussuojauksen tulee toimia ylikuormitustilanteessa, ei lämpösuojauksen! o Valvonta helppo toteuttaa

8 SUOJAUKSEN I²t ARVO Oikosulkuvirran neliön aikaintegraali. Tehohan kasvaa virran neliössä ja energia suorassa suhteessa tehoon ja aikaan Suojana käytettävällä suojalaitteella ( = sulakkeella ) tulee olla pienempi I²t arvo, kuin suojattavalla komponentilla, suojasulakkeenhan on toimittava ennen komponentin tuhoutumista SULAKE Sulaketta käytetään oikosulkusuojana diodi- ja tyristoripiireissä. Transistorin tai GTO:n suojaukseen sulakkeesta ei ole. Tällöin sulakkeen tarkoituksena onkin estää vaurion laajeneminen Suojana käytettävällä suojalaitteella ( = sulakkeella ) tulee olla pienempi I²t arvo, kuin suojattavalla komponentilla Sulakkeella on oltava riittävä katkaisukyky. Liian pienen katkaisukyvyn omaava sulake räjähtää valokaaren aiheuttaman paineen vaikutuksesta. Suuren katkaisukyvyn sulakkeet on yleensä täytetty kvartsihiekalla, joka absorboi valokaaren energiaa. RC SUOJA ( D, BJT, MOSFET, SCR ) Tavallinen RC suoja koostuu vastuksesta ja kondensaattorista. RC sarjaankytkentä kytketään komponentin yli. RC suoja alentaa komponentin katkaisutilanteessa jännitteen muutosnopeutta ja pienentää samalla ylijännitepiikkiä. Käytetään yleisesti diodien, transistoreiden ( BJT ja FET ) ja tyristoreiden yhteydessä POLAROITU RC SUOJA ( GTO ) Varsinkin GTO tyristoreille tulee toteuttaa katkaisutilanteessa virralle kulkutie. Tämä onnistuu polaroidun RC suojan avulla. Suojapiirin hajainduktanssit on pidettävä mahdollisimman pieninä!! : Kuva: Polaroitu RC suoja YLIJÄNNITESUOJA ( FET, BJT ) Ylijännitesuoja leikkaa, nimensä mukaisesti, tehokkaasti ylijännitepiikit. Kytkennän muodostavat R, C ja D. Kytkentä ei anna suojaa du/dt:lle, muttei myöskään aiheuta tehohäviötä, kuten aiemmin esitellyt kytkennät. Itse asiassa kytkentä parantaa hyötysuhdetta palauttamalla osan induktanssin energiasta lähteeseen Kuva: Ylijännitesuoja du/dt:lle voidaan tarvittaessa lisätä vielä oma piiri transistorin yli Polaroidun RC suojan toiminta: - Tyristorin avautuessa ( = mennessä johtamattomaan tilaan ), kytkeytyy kondensaattori ( C ) tyristorin rinnalle, koska diodi ( D ) on myötäsuunnassa - Kondensaattorin varaus purkautuu vastuksen R kautta tyristorin ollessa johtavana

9 KYLLÄSTYVÄ KURISTIN Kyllästyvä kuristin kyllästyy, nimensä mukaisesti, normaalilla toimintavirralla. Eli normaalitilanteessa kuristin on kyllästynyt ja sen vaikutus piirissä on vähäinen. Kytkentätilanteissa, virran ollessa pienempi, kuristin toimii induktanssina, pienentäen näin virran muutosnopeutta. Kyllästyvä kursitin pienentää sekä di/dt, että du/dt arvoa Kyllästyvän kuristimen avulla voidaan myös takavirran vaikutusta pienentää, myös RC suojan arvoa voidaan pienentää Kuva: Kyllästyvän kuristimen rakenne + RC suoja ja sen vaikutus ( katkoviiva ilman ) Kuvassa RC suojan muodostavat R1 ja C, R2 tarvitaan RC suojan toimintaa varten Kuvassa aika t1 on avaushetki ja t2 on aika, jossa virta on niin pieni, että kuristin ei ole enää kyllästystilassa Kyllästyviä kuristimia ei saa valmiina komponenttina, joten kyllästyvä kuristin on itse tehtävä ferriittirenkaasta ja kuparilangasta Kuten kuvasta voi päätellä, mitoitetaan kuristin kyllästymään jo suhteellisen pienillä virroilla Kyllästyvän kuristimen mitoittaminen on hankalaa, lisähaastetta tuo tyristorin aikaparametrien voimakas riippuvuus lämpötilasta VDR Jänniteriippuvainen vastus, käytetään yleisesti ylijännitesuojana Kestää suuriakin energiapurkauksia, tosin vuotovirta kasvaa tällöin Vuotovirta kasvaa käytössä, joten VDR ei sovellu kohteisiin, jossa on usein toistuvia ylijännitteitä AVALANCHE DIODI Ylijännitesuojaukseen tarkoitetut avalanche diodit ovat PNP rakenteisia, eli rakenteessa on kaksi vastakkaissuuntaista diodia. jolloin se toimii napaisuudesta riippumatta Tehopiikkien kesto ei ole VDR:n luokkaa, mutta kestää jatkuvia purkauksia Kuva: Avalanche ylijännitesuojadiodi

10 BOD ( BreakOver Diode ), Kippidiodi Kippidiodeja käytetään tyristorin ylijännitesuojaukseen. Kippidiodi itsessäään on pieni tyristori, joka on suunniteltu syttymään ylijännitteestä. Normaali tyristorihan tuhoutuu kippisyttymisen seurauksena. Kippidiodilla on heikko estosuuntaisen jännitteen kesto ( suojattava ), lisäksi myös du/dt arvo on aika alhainen Kuva: Kippidiodi Kuva: Kippidiodin ominaiskuvaaja Kuva : Kippidiodi tyristorin hilapiirissä Kuvan kippidiodihan on kytketty ohjauspiiriin. Kippidiodi sytyttää tyristorin hallitusti ylijännitetapauksessa. Sarjadiodi tarvitaan kippidiodin vaatimattoman estosuuntaisen jännitteen keston vuoksi. Vastus rajoittaa hilavirran