electronica de puter-laboratoare

8/13/2019 Electronica de Puter-Laboratoare

1/56

Lucrarea de laborator numrul 1

Dispozitive de putere. Dioda

1. Scopul lucrriiLucrarea i propune o introducere n universul dispozitivelor semiconductoare de putere

i analiza experimental a fenomenului de comutaie a diodei.Rezultatele experimentale se vor compara cu cele obinute prin simulare cu SPIC.

2. Introducere teoretic

2.1. Dioda

2.1.1. Dioda cu jonciune

Siliciul estematerialul semiconductorutilizat pentru obinereadispozitivelor de comutaie.Siliciul dopat uor n-

constituie uzual materialulde baz pentru obinereadispozitivelor semiconduc!toare. Rezistenamaterialului depinde derezistivitatea sa "#$ de

%rosimea stratului "l# i dearia total "A#&

A

l=R

Prin adu%area unui strat pse obine dioda cu seciunea transversal dat n fi%ura '.'.Structura diodei conine o (onciunepna crei comportare este bine cunoscut de la cursul dedispozitive "fi%ura '.'#.

Comutaia diodei

Pentru aplicaii ncircuite de comutaie$ timpulde tranziie al diodelor dinstarea de conducie direct"on# n starea de blocare "off#trebuie s fie c)t mai redus.

*enomenele carensoesc tranziia unei (onciuni

pn "diode# din starea +on+ nstarea +off+ sunt ilustrate nfi%ura '.,.

Fig. 1.1

Fig. 1.2


2/56

P)n la momentul t- dioda este polarizat direct$ dispozitivul fiind parcurs de curentul deconducieIF . /n momentul t- comutatorul trece instantaneu din poziia ' n poziia ,. Ca urmare$se ntrerupe cur%erea curentuluiIF i se foreaz trecerea prin (onciune a curentului inversIR.0aloarea acestui curent "IR-ER1RR # este determinat de sursa de tensiune ERi de rezistenaRR.Curentul invers prin diod i pstreaz constant valoareaIRp)n la momentul t-t'. Intervalul de

timp "$t'#$ c)nd tensiunea la bornele diodei scade de la VF "tensiunea pe diod n polarizaredirect# la $ este determinat de

procesul de evacuare apurttorilor minoritari existenin exces n (onciunea diodei i

poart denumirea de timp destocare ts. 2up momentul t'curentul invers prin diodncepe s scad$ iar tensiunea la

bornele diodei devine ne%ativ$tinz)nd ctre valoarea sursei de

polarizare invers "ER#. 2urataintervalului de timp "t'$t,# ncursul cruia dioda irestabilete capabilitatea de

blocare n invers$ poart numelede timp de tranziie tt. 3impulde revenire invers trr estetrr=ts+tt.

2in punct de vederepractic$ tranziia unei diode dinstarea de blocare n starea de

conducie$ raport)ndu!se la durata timpului de blocare toff =trr$ are loc aproape instantaneu.Productorii de diode de putere specific de re%ul valoarea timpului de revenire invers

trr"reverse recover4 time#./n cazul blocrii pe sarcin inductiv fenomenele sunt ilustrate n fi%ura '.5.

Caracteristica curenttensiune la nivele mari de injecie*uncionarea dispozitivelor cu (onciuni pn la un nivel mare de in(ecie "n conducie

direct# se caracterizeaz prin faptul c valoarea concentraiei purttorilor minoritari n straturiledispozitivului este comparabil cu cea a purttorilor ma(oritari.

Rezultatele experimentale obinute cu diode redresoare din siliciu se reprezint suburmtoarea dependen a densitii de curent&

)kTqV=!

exp

unde este factorul de idealitate al diodei " "= la nivele mari de in(ecie#.

Strpungerea jonciunii pnLa aplicarea unei tensiuni inverse de valoare suficient de mare (onciunea semiconductoare

se strpun%e& structura pn i pierde proprietile de redresare$ curentul invers cresc)nd foartemult.xist urmtoarele mecanisme de strpun%ere a unei (onciunipn&

! strpun%erea prin avalan "ionizare prin oc#6! strpun%erea prin ptrundere sau atin%ere "punc7!t7rou%7 sau reac7!t7rou%7#6

! strpun%erea 8ener "prin tunelare#.

,

Fig. 1.!


3/56

"uterea total disipat de diodPuterea disipat de o diod n conducie direct se exprim prin relaia&

Ir+IV=# FR$%)&FAV)Tdon

unde&! VTeste tensiunea de pra% a diodei6! r&este rezistena intern a diodei n polarizare direct6!IFAV)este curentul direct mediu prin diod6!IFR$%)este curentul direct efectiv prin dioda.Puterea disipat de o diod n comutaie$ mai precis pe durata comutaiilor inverse$ se

poate exprima aproximativ prin&'Ef=# rrRdcom

unde&!feste frecvena comutrilor6!EReste tensiunea invers aplicat la blocare6! 'RR este sarcina de revenire care trebuie eliminat din (onciune pentru ca dioda s se

bloc7eze

dtidV(='rrR t

)

r*

E

)

rr =

Puterea disipat n blocare este ne%li(abil fa de valorile date de relaiile de mai sus$ astfelnc)t puterea disipat "total# de o diod este&

#+#=# ddd comon

2.1.2. Dioda Sc#ott$% de putere

"articulariti &uncionale ale diodei Sc#ott$%&iodele %cottk, reprezint o cate%orie distinct n cadrul familiei de diode redresoare

prin faptul c funcia de redresare este realizat de contactul ntre un metal i un semiconductor inu de (onciunipnsemiconductoare.

Curentul prin dioda Sc7ott94 este transportat de un sin%ur tip de purttori$ purttoriima(oritari din semiconductor "%oluri sau electroni#. 2eoarece mobilitatea electronilor este de ,5ori mai mare dec)t cea a %olurilor$ diodele Sc7ott94 sunt realizate n %eneral pe semiconductoarede tip n.

:bsena conduciei prin purttorii minoritari determin dou avanta(e ma(ore&'# nu exist sarcin stocat la nivelul (onciunii$ deci timpii de comutaie depind exclusiv

de valoarea capacitii intrinseci a dispozitivului&

)V+-"

qA=(

Rn.

s&"

/

**

n

unde&!.n este potenialul barierei de contact Sc7ott94$ care depinde n principal de natura

metalului utilizat pentru realizarea contractului " V0102=.n pentru (r$ V034=. n pentru Pt#6

! n este potenialul *ermi pentru electroni6! A* este aria (onciunii metal!semiconductor6! d reprezint nivelul de dopare a stratului epitaxial6

5


4/56

! 5seste permitivitatea electric a semiconductorului n6! q este sarcina electronului.

,# nu apare fenomenul demodulare a rezistivitii stratuluisemiconductor$ determinat de creterea

nivelului de curent$ deci tensiunea nconducie i tensiunea n blocare suntsensibil mai mici dec)t n cazul diodelorcu (onciunepn.

/n fi%ura '.; este prezentatseciunea transversal printr!o diodSc7ott94.

2.2. Dispozitive cu trei straturi

2ispozitivele de baz cu trei straturi$ de nalt tensiune "deci care au structura verticalcaracterizat de existena unui strat de tip n!#$ sunt prezentate n fi%ura '.


5/56

2.!. Dispozitive cu patru straturi

Structurile de principiu cu trei straturi din seciunea anterioara pot fi extinse cu un stratp+$ obin)nd trei structuri de baz cu patru straturi&

! tiristorul convenional ! SCR "Silicon Controlled Rectifier#$ care este n esen un >30cu un strat p+adu%at "fi%ura '.B.a#6

! tiristorul cu inducie static ! SI37 sau *C3 ! un ?!*3 la care s!a adu%at un strat p+"fi%ura '.Bb#6

! tiristorul bipolar cu poart izolat ! ID3 ! un @AS la care s!a adu%at un strat p+"fi%ura '.Bc#.

Fig. 1.*

2.(. +ptimizri ale structurilor de baza

/n funcie de aplicaiile concrete n care sunt utilizate$ dispozitivele semiconductoare deputere trebuie s aib&

! tensiuni de blocare c)t mai ridicate6! capabiliti mari n curent6! valori mari ale capabilitilor n d01dt i dI1dt6! timpi de comutare c)t mai redui$ deci frecvene de lucru c)t mai mari6

! puterea disipat n comutaie c)t mai mic6! nivele reduse ale puterii de comand pe poart.

2e re%ul$ mbuntirea uneia din caracteristicile de mai sus conduce inevitabil lade%radarea altor parametri ai dispozitivelor. /n consecin$ exist dispozitive specializate$optimizate pentru diferite aplicaii. Prin inte6rare f7ncional8s!au obinut structuri perfecionatecum ar fi&

! tranzistorul cu efect de c)mp cu dioda epitaxial rapid *R2!*3 "*3 Eit7 *astRecover4 pitaxial 2iode ! fi%ura '.Fa#6

! tiristoare cu blocare pe poart 3A "ate 3urn!Aff 374ristor ! fi%ura '.Fb#6! tiristor controlat de @AS$ denumit @C3 "fi%ura '.Fc# etc.


6/56

Fig. 1.,

2.). -naliza comparativ a per&ormanelor dispozitivelor semiconductoare de putere

ste important ca proprietile dispozitivelor semiconductoare s fie cunoscute atuncic)nd ale%em un dispozitiv care s lucreze optim ntr!o aplicaie dat. 3abelul '.' se prezintcomparativ proprietile eseniale ale dispozitivelor capabile s susin tensiuni de peste '0.

Se remarc faptul c dispozitivele rapide sunt optimizate pentru o tensiune direct nconducie minim.

2.'. -ria de aplicaii pentru dispozitivele semiconductoare de putere

:ceast seciune ncearc s dea indicaii asupra modului de ale%ere a dispozitivului optimpentru o anumit aplicaie.

ste posibil pentru un proiectant de circuite$ utiliz)nd te7nici variate i ori%inale$ sfoloseasc un dispozitiv n afara zonei de operare +normal+$ ilustrat n fi%ura '.G.Se poate spune c este dificil utilizarea tranzistoarelor bipolare >03 la frecvene de peste

'9>z$ dar totui n literatura de specialitate sunt descrise aplicaii la frecvene de sute de 9>z.La ale%erea unui tip de comutator concur o %ama mai lar% de parametri$ le%ai ntr!o anumitmsur de frecvena de comutaie&

! timpii de nt)rziere6! puterea disipat n comutaie6! densitatea de curent n conducie6! limitri te7nolo%ice la puteri mari6! topolo%ia aplicaiei.

2e exemplu 3A este preferat tranzistorului de putere n aplicaii de mare putere lafrecvene ntre '9>z i ,9>z datorit capabilitii sale la suprasarcin.

Scderea tensiunii susinute n blocare determin performane mai bune./n tabelul '.'$ un +H+ are$ n funcie de context$ semnificaia +simplu+ sau +mic+$ iar un +!+

nseamn +complexitate+ sau +mare+. n punct n tabel semnific o medie ntre +H+ i +!+$ iar*"fast#-rapid i S"sloE#-lent. /n cazul comutaiei forate pentru tiristoare sunt valabile

performanele dintre acolade.

2ispozitiv1Parametru

>03 ?*3 @AS 3>J 3A ID3S

ID3*

nitatede

=


7/56

msur

0"AK# ' ' < '.< 5 , ; 0

Circuit C2 ! H H H H H H !

Circuit CI ! ! H H ! H H !

Comanda ! . H . . H H !3e7nolo%ie H . . H ! ! ! !

Protecia ! . H H ! ! ! !

3s$ t , .' .' < ' , .< Ms

Pd"com# . HH HH !! ! ! . !

?


8/56

! mecanice6! termice6! electrice.Corespunztor acestor moduri de ncercare avem sistemele de valori limit absolute

mecanice$ climatice$ termice i electrice.Conform definiiei dat de CI pentru sistemul de valori limit absolute$ fiecare este

imperativ$ n sensul c depirea ei provoac de%radarea ireversibil a dispozitivului. Proiectaniide ec7ipamente cu dispozitive semiconductoare de putere trebuie s rein c exist o corelaiestr)ns ntre probabilitatea defectrii dispozitivului i %radul de ncrcare a dispozitivului$ n sensulapropierii de una din valorile sale limit absolute.

0alori limit absolute pentru diod/n re%im de polarizare invers se definesc urmtoarele valori limit absolut&

VR ! tensiunea invers continu6VRR$ ! tensiunea invers repetitiv maxim6VR9$ ! tensiunea invers de lucru maxim6VR%$ ! tensiunea invers de suprasarcin maxim.

/n re%im de conducie valorile limit absolut$ evident$ se vor referi la curentul ce parcur%edispozitivul&

IF ! curent direct continuu6IFAV$ ! curent direct mediu maxim6IFR$%$ ! curent direct eficace maxim6IFR$ ! curent direct repetitiv maxim6IF$ ! curent direct de suprasarcin maxim6I"t ! inte%rala de curent n funcie de care se dimensioneaz si%uranele

ultrarapide de protecie etc.Pentru re%imul de comutaie al diodei intereseaz&

di:dt ! panta critic de cretere a curentului de conducie6

d;:dt ! panta critic de cretere a tensiunii de blocare6t*$ ! temperatura (onciuni maxim "parametru termic$ dar str)ns le%at de

puterea disipat n comutaie.

!. -parate i ec#ipamente utilizate

! osciloscop cu dou canale6! mac7et laborator6! %enerator de impulsuri de putere6

(. Des&urarea lucrrii

(.1. 3periment

'. Se alimenteaz %eneratorul de impulsuri i se conecteaz n varianta impulsuri bipolarela mac7eta de laborator cu sc7ema dat n fi%ura '.'.

,. Se conecteaz osciloscopul astfel nc)t pe un canal s se vizualizeze curentul prin diod"i$ iar pe cellalt tensiunea pe diod ";.

5. Se studiaz comutaia diodei pe sarcin rezistiv "fi%ura '.''a#.;. Se conecteaz dioda 2' "normal# n circuit.


9/56

lucrrii "fi%ura '.''b#.G. Se studiaz efectul introducerii unui condensator n circuitul de comutaie "fi%ura '.''c

i '.''d#.'. Se centralizeaz rezultatele msurtorilor ntr!un tabel.

Fig. 1.14

Fig. 1.11

(.2. Simulare

'. tiliz)nd pro%ramul SPIC se va studia&! comutaia diodei cu (onciune normal pe sarcin rezistiv R "fi%ura '.',#6

! comutaia diodei cu (onciune normal pe sarcin inductiv L6! comutaia diodei cu (onciune de comutaie pe sarcin R6! comutaia diodei cu (onciune de comutaie pe sarcin L.:nalizai comparativ rezultatele obinute prin simulare cu rezultatele experimentale

obinute pentru i&i ;&.

,. Se vizualizeaz puterea disipat n comutaie.

G


10/56

Fig. 1.12

). 5ntrebri. eme de cas'. Cum influeneaz fronturile impulsurilor de comand procesul de comutaie "puterea

disipat n special#N Abservaie. Se va utiliza simularea cu SPIC.,. La comutaia diodei pe sarcin rezistiv$ care este le%tura dintre sarcin i timpul de

stocareN5. Care este le%tura dintre frecvena impulsurilor de comutare "factor de umplere '1,# i

parametrii diodei "tssi trr#N;. 2e ce se conecteaz n paralel cu dioda care lucreaz n comutaie un condensatorN


11/56


12/56

ts! timpul de stocare 6tf! timpul de cdere a curentului.>03!urile sunt utilizate aproape n exclusivitate n circuite electronice de comutaie

pentru conversia ener%iei$ comanda motoarelor "d.c. i a.c.# etc.2.2. Comutaia tranzistorului bipolar 7 80 9

Pentru un tranzistor n conducie se pot distin%e trei zone n care se acumuleaz sarcinaelectric " fi%. ,.;#.

Fig. 2.( Fig. 2.)Sarcina Ob localizat n re%iunea bazei este esenial pentru conducia curentului de

colector. Sarcina Oclocalizat n zona colectorului$ n dreptul emitorului$ determin o rezistensczut pentru colector$ deci o tensiune colector emitor sczut. Sarcina Odeste localizat nzona colectorului n dreptul contactului de baz.

Pentru o valoarefixat a curentului decolector valoarea sarcinilor

Ob $ Oc i Od depinde detensiunea colector!emitor"fi%ura ,.


13/56

supracurentul de comand fiind preluat de dioda 25. 2ioda 2,asi%ur calea de evacuare a sarciniistocate$ iar dioda 2'fixeaz pra%ul saturaiei incipiente "eventual pot fi conectate dou diode nserie#.

Fig. 2.* Fig. 2.,

/n cazul confi%uraiei 2arlin%ton "fi%ura ,.F#$ in)nd cont de faptul c (onciunile D i DCale tranzistorului 3'(oac rolul diodelor 2, i 25 $ tranzistorul de for 3,nu se va satura profund$indiferent c)t este valoarea curentului de comand ID,.

Comutaia tranzistorului din blocare n conducie "comutaia direct ! C2#$ respectivinvers "comutaia invers ! CI# se face ntr!un timp definit n principal de circuitul de comand.

2.!. Circuite de comand

Circuitele de baz pentru comanda tranzistorului bipolar sunt reprezentate n fi%ura ,.G.

Se remarc existena rezisteneiRbn fiecare circuit de comand$ av)ndrolul de a limita valoarea curentului decomand.

/n cazul unei comenzi cuforarea curentului de baz princircuitul de accelerare "Rbn paralel cuCb $ vezi fi%ura ,.'.b#$ putereadisipat n timpul C2 este mai micdec)t n cazul unei comenzi simple

printr!o rezisten Rb"fi%ura ,.'.a.#.

La comutarea invers$ dinmomentul tal aplicrii tensiunii inversede comand se pot evidenia timpii&! t=t-t s/o 6 pe durata cruiatranzistorul rm)ne saturat6! t" 6 c)nd i- i V.E devinene%ativ6! t? 6 c)nd iC- 6! t=t-t f/? 6 timpul de cdere pentruiC.

*ormele de und$ pe durata CI$pentru circuitele de comand din fi%ura

Fig.2./'5


14/56

,.G sunt reprezentate n fi%urile ,.''.ac.

Fig. 2.14.a Fig. 2.14.b

Fig. 2.11.a Fig. 2.11.b

';


15/56

Fig. 2.11.c Fig. 2.12/n fi%ura ,.', este prezentat efectul mririi tensiunii inverse$ aplicate pentru blocarea

tranzistorului$ asupra performanelor de comutare invers a circuitului din fi%ura ,.G.b "vezipentru comparaie fi%ura ,.''.b#.

Circuitul de accelerare RbCb"vezi fi%ura ,.G.a# este n %eneral utilizat pentru comanda

tranzistoarelor cu tensiuni V(Emax mici. /n %eneral se urmarete ca I"/

=I (.R$ .Pe de alt parte$ puterea disipat scade dac nu se utilizeaz condensatorul de accelerare

Cb "vezi fi%ura ,.''.b# sau se mrete tensiunea invers aplicat "fi%ura ,.',#$ fr ns a sedepi tensiunea de strpun%ere a (onciunii baz emitor$ 0 "DR#D. Se remarc ns o cretere atimpului total de comutare invers.

Pentru tranzistoare >03 intrarea (onciunii D n strpun%ere la comutarea invers$utilizand o bobina n baz Lb"vezi fi%ura ,.''.c#$ nu are efecte distructive dac nu se depesc

parametrii IDR":0#i IDRmax"precizai n catalo%#.ste evident c au loc relaiile&

#@#@#@# dcidcidcidci //c))///A)//a) ,

t@t@t@t ffff //c))///A)//a) ,

tBtBt sss //c)//A)//a)/n %eneral$ valoarea optim a inductanei Lbse determin experimental. A estimare bun

este dat de relaia &

dt

di

V+E=C

.

.ER

.sat

unde&

dtid . - $03 cu V(E -B0$ V(E< -'


16/56

Fig. 2.1!

Fig. 2.1(

Fig. 2.1)

Circuitul optim de comand este prezentat n fi%ura ,.'


17/56

Fig. 2.1' Fig. 2.1*

2.(. -ria de &uncionare sigur

/n cazul n care (onciunea de comand estepolarizat direct punctul de funcionare trebuie sse afle n zona de funcionare si%ur reprezentat nfi%ura ,.'=. 2ac (onciunea baz emitor estescurtcircuitat "V.Eoff -0# sau este polarizat

invers "V.Eoff -


18/56

Fig. 2.24 Fig. 2.21

Reeaua (-R-& 444 formeaz un detector de v)rf pentru limitarea tensiunii 0C.Inductana L= reduce rata de cretere a curentului I C$ care poate fi foarte mare pentrutranzistoarele care comut transformatoare de putere$ micor)nd PdC2. ner%ia nma%azinat de L=este disipat de circuitul R=!2=pe durata c)nd tranzistorul este blocat.

/nfurarea secundar$ bobinat n opoziie fa de cea primar$ mpreun cu 2B$ are rol nrecuperarea ener%iei nma%azinate de transformator. Crete ns i tensiunea 0C pe durata c)nd2Bconduce.

!. -parate i ec#ipamente utilizate:

! osciloscop cu dou canale6! mac7et laborator "fi%ura ,.,,#6! %enerator de impulsuri de putere

Figura 2.22

'F


19/56

(. Des&urarea lucrrii:

(.1. 3periment'. Se alimenteaz %eneratorul de impulsuri i se conecteaz n varianta impulsuri bipolare

la mac7eta de laborator cu sc7ema din fi%ura ,.,,. Pentru comparaie se utilizeaz un tranzistornormal #O" 5 i unul de comutaie #O" ; .

'G


20/56

,. Se alimenteaz monta(ul cu tensiune " /V=Vcc # i se conecteaz osciloscopul labornele A'$ A,i A5pentru vizualizarea tensiunilor vDi vC.

5. Se studiaz comutaia tranzistorului bipolar pe sarcin rezistiv$ analiz)nd influenacircuitului de comand asupra timpilor de comutaie "vezi fi%urile ,.B$ ,.G i ,.'


21/56


2.1. Structur i mod de &abricaien canal n vertical

pentru un tranzistor =+S

de putere este fabricat peun substrat nH $ av)nddrena metalic aplicat pe

partea inferioar a sa "fi%.5.'#.

2easuprasubstratu!lui nH estecrescut un strat n!

epitaxial$ %rosimea irezistivitatea fiecruiadepinz)nd de tensiunea

pro%ramat s fie susinutn blocare ntre dren isurs. Structura canalului$format printr!un dubluimplant n suprafaastratului epitaxial n!$renun la modelul celular$astfel nc)t mai multe mii

de celule pot forma un sin%urtranzistor.

Poarta "n!polisiliciu# creat nstratul izolator de dioxid de siliciueste structura unic care lea% ntreele celulele aceluiai dispozitiv. Sursametalic acoper de asemeneantrea%a structur$ realizandconectarea n paralel a celulelorindividuale ntr!un sin%ur tranzistor.2ensitatea tipic este de .5Q'=

celule1cm" .

A seciune transversal printr!o celul este dat n fi%ura 5.,.

2.2. "arametrii =+SFului.

a. Tensi7nea de pra6 V#). 3ensiunea de pra% se msoar n mod normal conect)ndpoarta la dren i apoi cresc)nd tensiunea aplicat dispozitivului ntre dren i surs p)n seobine un curent de dren de '. m:. :ceast metod este foarte simpl i furnizeaz indicaii

precise asupra momentului n care se creeaz canalul indus.*actorii principali care controleaz tensiunea de pra% sunt %rosimea oxidului de sub

21

Fig. !.1

Fig. !.2


22/56

poart i concentraia de suprafa maxim din canal$ determinat de doza implantrii zoneip.0aloarea tensiunii de pra% este n %ama ,.';0 pentru tipul standard$ respectiv ',0 pentrutipul lo%ic.

b.Rezistena dren8 s7rs8 Hn starea de cond7cie on) - R&%on) .

Contribuia elementelor care determin R&%on) este dependent de valoarea tensiunii

dren!surs proiectat a fi susinut n blocare "fi%. 5.5#.Se observ c la tensiuni nalte

domin rezistivitatea i %rosimea stratuluiepitaxial$ iar la tensiuni (oase o ponderemare o are rezistena canalului i a stratuluidifuzat pH.Rezistena ntre%ului canal este determinatde lun%imea canalului$ %rosimea stratului deoxid al porii$ mobilitatea purttorilor$tensiunea de pra% i tensiunea aplicat pe

poart. Pentru o tensiune de poart dat$

rezistena canalului poate fi redussemnificativ micor)nd %rosimea stratului deoxid al porii. :cest mod de lucru esteutilizat pentru =+SF!ul comandat cunivele lo%ice$ permi)nd obinerea uneiR&%on) similar cu tipul standard cu numai


23/56

2.!. Caracteristicile electrice in curent continuu.

A familie de caracteristici de ieire tipice pentru un tranzistor =+Sde putere este dat nfi%ura 5.;. Se observ c depirea tensiunii V&%sat determin o limitare a curentului de dren"re%iunea de saturaie a caracteristicilor#.

2.(. Caracteristicile de comutaie.

Caracteristicile de comutaie pentru un =+SF de putere sunt determinate decapacitile inerente care apar n structur "fi%. 5.


24/56

Fig. !.*

2.). Circuite de comand

24


25/56


26/56

Fig. !.12

Fig. !.1! Fig. !.1(

Fig. !.1)

26


27/56

Fig. !.1' Fig. !.1*


(.1. 3periment:

'. Se alimenteaz %eneratorul de impulsuri i se conecteaz n varianta de comand cu

impulsuri monopolare pozitive la mac7eta de laborator cu sc7ema dat n fi%ura 5.'F.,. Se alimenteaz monta(ul cu tensiunea V&&-'0 i se conecteaz osciloscopul la borneleA'$ A,$ i A; pentru vizualizarea tensiunii ;J%si ;&%.

5. Se studiaz comutaia tranzistorului =+S pe sarcina rezistiv analiz)nd influenacapacitilor (6ssi (6dasupra timpului de comutaie "fi%. 5.'


28/56

(.2. Simulare:

tiliz)nd pro%ramul SPIC seanalizeaz&

B. influena capacitilor (6s i(6d asupra timpilor de comutaie

utiliz)nd dou tipuri de tranzistoare@AS "fi%. '


29/56


30/56


31/56

Fig. !.2(

31


32/56

Fig. !.2)

Lucrarea de laborator numrul (

iristorul1. Scopul lucrrii

Scopul acestei lucrri este nele%erea aspectelor teoretice "prin modelare!simulare# ipractice privind metoda uzual de amorsare a tiristorului prin curent de comand pe poart. Sevor face msurtori pentru determinarea curenilor de meninere I$ de blocareI.i de acroareIC$

precum i a altor parametrii specifici tiristoarelor.


2enumirea %eneric de tiristor este atribuit unei familii de dispozitive semiconductoare deputere$ av)nd o funcionare de tip bistabil i similariti de structur intern.Caracteristica static curent "iA# ! tensiune ";AK# a unei structuri pnpn "cu sau fr electrozi

de poart ! fi%ura. ;.'# are forma tipic din fi%ura ;.,.

32


33/56

Fig. 4.1

La polarizarea direct astructurii pnpn "potenalul din anodmai mare dec)t cel din catod#$ pe

poriunea !' a caracteristicii$dispozitivul susine tensiunea aplicat"(onciunea ?, este blocat#$ fiind nstarea de blocare n direct. 2actensiunea direct aplicat ";AK# atin%evaloarea VF".L# "brea9over volta%e#dispozitivul trece rapid prin zona derezisten ne%ativ '!, "d;AK1diA #$a(un%)nd n conducie direct. /nconducie direct "poriunea ,!5 acaracteristicii# dispozitivul pnpn secomport ca o diod redresoare nconducie$ fiind utilizat un model liniar analo% diodei cu (onciunepnn conducie&

;AK= VT + rFTiAunde&

rFTeste rezistena n conducie direct a tiristorului6VT este tensiunea pe tiristorul aflat n

conducie direct "VT-',0 pentru

densiti de curent de aproximativ':1cm,#./n polarizare invers "! pe anod i H pe

catod# dispozitivulpnpnse afl n poriunea !; acaracteristicii n polarizare invers "(onciunea !'

blocat susine tensiunea aplicat$ deoareceV.R"?5#-'50#. 2ac tensiunea invers aplicatatin%e valoarea V.R"brea9doEn volta%e#$ curentulinvers prin dispozitiv crete foarte rapid$

provoc)nd distru%erea dispozitivului.:morsarea prin aplicarea unei tensiuni

directe ;AK=VF.) se utilizeaz pentru diodeletiristoare "dioda Sc7oc9le4 fi%ura ;.'.a$ diaculetc#$ fiind evitat la triodele i tetrodele tiristoare "fi%urile ;.'. c respectiv d# deoarece se pot

33

Fi . 4.2

Fig. (.!


34/56

distru%e dispozitivele respective.:morsarea tiristoarelor convenionale "fi%ura ;.'.c# se obine prin aplicarea unui curent

pozitiv de poart iJ@ "obinut prin aplicarea unei tensiuni;JK@ # c)nd tiristorul este polarizatdirect$ amorsarea av)nd loc la tensiuni ;AK@ din ce n ce mai mici dac valoarea curentului de

poart crete "fi%ura ;.5#.

34


35/56

2up amorsare$ tiristorul rm)ne n starea de conducie dac curentul anodic iAeste maimare dec)t valoarea curentului de a%areIC"latc7in% current#. 2ispozitivul rm)ne n conducieat)ta timp c)t curentul anodic este mai mare dec)t curentul de meninere I "7oldin% current#.:vemIC@ I.

2enumirea de +redresor comandat din siliciu+$ prescurtat SCR "Silicon ControlledRectifier#$ este utilizat i n prezent "vezi biblioteca utilizat de SPIC# pentru tiristorul

convenional. Comutarea n conducie a tiristoarelor convenionale se face uzual prin curent decomand pozitiv pe poart$ continuu sau n impulsuri. 3ensiunea minim continu "VJT# aplicat

pe poart fa de catod i curentul continuu minim de poart "IJT#$ care determin o amorsaresi%ur a tiristorului sunt parametri importani ai acestora. /mpreun cu puterea disipat n poart$acetia determin valorile componentelor din circuitul de comand.

2omeniul de amorsaresi%ur "fi%ura ;.;# este limitatsuperior de puterea de v)rf decomand "n impulsuri# saumedie de comand "n curentcontinuu#. Inferior$ domeniul se

extinde odat cu cretereatemperaturii dispozitivului.

Adat cu cretereatemperaturii$ curentul rezidualdin (onciunea !, poate devenicomparabil cu IJT$ tiristorul

put)nd amorsa termic "frcomand pe poart#.

:plicarea unui curent npoarta unui tiristor determin o in(eciede %oluri "purttori ma(oritari# n

stratulp,$ polariz)nd direct (onciunea!5. /n momentul n care (onciunea!5se desc7ide$ stratul n, in(ecteazelectroni n zonap,$ care a(un%)nd nc)mpul electric al (onciunii !, sunttransferai n stratul n'"%olurile nu trec

prin (onciunea!,#. :cest fenomen deseparare determin scdereaconcentraiei purttorilor n zona

(onciunii!,.2eoarece&

7AK=V!/+V!"+V!?scderea tensiunii de blocare a (onciunii ?,"fi%ura ;.


36/56

Curentul anodic continu s produc fenomene de in(ecie de purttori prin (onciunile ?'i ?5$ determin)nd extinderea canalului de amorsare pe toat suprafaa catodului. 0iteza ;scu carese desfoar acest fenomen crete cu densitatea curentului anodic i are valori n %ama$5$'mm1s.

2ispozitivele pnpn pot fi amorsate cu semnale optice situate n banda de rspuns spectral asiliciului.

Pe l)n% amorsare prin brea9over "autoamorsarea#$ care este de tip parazit i distructiv$pentru tiristoarele cu terminal de poart$ amorsarea prin efect dv1dt este de asemenea distructiv.

La aplicarea unei tensiuni anodice ;& de tip ramp$ datorit capacitii de barier a(onctiunii ?,

#"

,#" '.

, tq;

t(

&

&r!

=

apare un curent de deplasare av)nddensitatea&

dt

t)d;t)(

dt

t)d(t);+

dt

t)d;t)(=

dt

dq=* &!

!&

&!d ,

,

,

0aloarea sa medie este&

dt

t)d;

)V"(=dt

t)d;

(=*&

RF!&

!d ,,

unde& VRFeste valoarea final a tensiunii anodice.@rirea capabilitii de protecie la efectul d;:dtpentru dispozitivele pnpn se poate obine

prin conectarea unui %rup RC "denumit snubber# n paralel pe dispozitiv "fi%. ;.B.a#.Conectarea unui rezistor RJ ntre poart i catod determin devierea unei pri din

curentul de deplasare din bazap"$ mrind capabilitatea de protecie la d;:dt"fi%.;.F.#.

Fig.(.,

Procesul de amorsare a tiristoarelor de putere$ deci care au o arie a catodului mare$ in)ndcont c extinderea zonei de conducie direct "on!zone spreadin%# se face cu viteza finit$ ;sGdetermin limitri ale ratei de variaie a curentului anodic di:dt.

g. 4.7

36


37/56

/n circuitele care utilizeaz tiristoare convenionale$ cu capabilitate n di1dt limitat la


38/56


39/56

3impul de cdere a tensiunii tf7 nu mai depinde de IJci$ n principal de caracterul circuituluianodic$ scz)nd odat cu creterea inductanei din circuitul anodic. 3impul de stabilizare tstdepinde de parametrii constructivi ai tiristorului. /n timpul amorsrii$ n tiristor$ ener%ia electricse transform n ener%ie termic. Puterea disipat n timpul amorsrii#deste reprezentat n fi%.;.'5.c.

Fig. 4.13.b

Fig. 4.13.c

!. -parate i ec#ipamente utilizate:

- ampermetru de c.c. i c.a639


40/56

- voltmetru de c.c.6- surs de tensiune continu6- transformator reea ,,1',H',6- osciloscop cu dou canale6- reostat6- mac7et de laborator "fi%. ;.';#. Cu a(utorul comutatorului T se selecteaz tiristorul de mic$

respectiv medie putere care va fi testat$ iar cu T' se aplic impulsurile de comand c)nd estecazul.

Fig. (.1(


(.1. 3periment

'. Caracteristica static de amorsare n c.c. a tiristoruluia. Se verific datele de catalo% ale tiristoarelor de pe mac7eta de laborator6

b. Se identific componentele de pe mac7eta de laborator "fi%ura ';#6c. Se realizeaz monta(ul din fi%ura ;.'


41/56

exemplu$ amorsarea este semnalizat optic prin stin%erea becului.6f. Se noteaz valoarea tensiunii i curentului de amorsare$ indicat de voltmetrul V' i

ampermetrulA'6%. Se repet experimentul pentru celalalt tiristor i apoi se urmrete efectul modificrii

curentului anodic asupra parametrilor de amorsare "o valoare medie i maxim de re%la( areostatului#. Se noteaz valoarea re%lat iA6

7. Se ridic caracteristica 7JGiJ)MiAla amorsare pentru tiristoarele testate.

,. @surarea curentului de meninere$ blocare i acroarea. Se realizeaz monta(ul din fi%. ;.'=.

Fig. (.1'

b. Se re%leaz reostatul la valoarea minim i se fixeaz sursa de tensiune continu laaproximativ '0.

c. Se alimenteaz monta(ul6 voltmetru Vva indica prezena tensiunii n starea blocat directa tiristorului.

d. Cu comutatorul K' se aplic impuls de amorsare a tiristorului. Se citete valoareatensiunii anodice c)nd tiristorul este n conducie.

e. Se mrete rezistena din circuitul anodic$ urmrindu!se indicaia ampermetruluiA. Laun moment dat tiristorul se va bloca "indicaia ampermetrului este $ iar a voltmetrului este dinnou e%al cu valoarea tensiunii de alimentare#. Se reine ultima indicaie a ampermetrului$ curentulanodic minim n conducie$ deci valoarea curentului de meninereI>.

f. La valori i mai mare ale rezistenei anodice$ se nc7ide ! desc7ideK'i se urmretemodul cum conduce tiristorul6 practic tiristorul are o funcionare asemntoare cu a unuitranzistor p)n c)nd curentul anodic scade sub valoarea de blocare ID. Se msoar curentul de

blocareIDmrind rezistena reostatului p)n se observ blocarea tiristorului.

41


42/56

%. Se micoreaz apoi$ treptat$ rezistena reostatului$ aplic)ndu!se totodat i impulsuri decomand. Pentru o anumit valoare a curentului anodicIL$ numit curent de acroare$ tiristorulrm)ne n conducie i dup dispariia impulsului de comand "K' desc7is#. Se reine aceastvaloareIL.

7. Se fac msurtorile pentru ambele tiristoare.

5. :morsarea tiristorului cu impulsuri de comand

Fig. (.1*

a. Se realizeaz monta(ul din fi%. ;.'B. eneratorul de impulsuri sincronizate cu reeaua dealimentare are posibilitatea re%lrii amplitudinii "ntre '0 cu R5# i duratei "ntre $, ! ,scu R,# acestora. /nt)rzierea fa de trecerile prin zero se fixeaz din semire%labilul R'.

b. Se unteaz inductanaC6 i se re%leaz reostatul din circuitul anodic laR-Rmin.c. Se vizualizeaz curentul ii tensiunea de poart ;n momentul amorsarii tiristorului"K'nc7is# pentru diverse combinaii amplitudine ! durat impuls. Se noteaz combinaiile caredetermin limita inferioar a domeniului de amorsare si%ur.

d. Se introduce inductanaCn circuitul anodic i se repet punctul c.$ pentru combinaiileRmin!CminiRmin!Cma


43/56

Indicaie& Se vor utiliza relaiile cunoscute&

)

/+

/

q

)-V"=l+l=9

&A

i&rpn

.

K:lp - K2ln

n

--

q

kT=

"i

&Ai ln

)-

/+

-

/

V

"q=

E &ARr.max

Se dau constantele&ni-'$;


44/56

Student:;rupa: !22

Dispozitive de putere. Dioda

19 Comutaia diodei pe sarcin rezistiv:

D 1

D 1 N 4 1 4 8

V 1

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = - 5

T R = 1 n

V 2 = 5

0

R 1

1

V+

I

V-

0izualizarea cderii de tensiune i a curentului prin diod&


45/56

29 Comutaia diodei pe sarcin inductiv:

R 2

1 0

L 2

3 0 m H

1 2

D 2

D 1 N 4 1 4 8

V 2

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = - 5

T R = 1 n

V 2 = 5

0

V-

V+

I

0izualizarea cderii de tensiune i a curentului pe diod&

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18msI(D1)

-4.0A

0A

4.0A

V(D1:1,0)-8.0V

-4.0V

0V

4.0V

SEL>>


46/56

!9 Comutaia diodei pe sarcin capacitiv:

R 3

1

D 3

D 1 N 4 1 4 8

V 3

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = - 5

T R = 1 n

V 2 = 5

C 3

2 2 0 u

0

V+

I

V-

0izualizarea cderii de tensiune i a curentului pe diod&

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msI(D2)

00mA

0A

00mA

00mA

V(D2:1,0)8.0V

4.0V

0V

4.0V

SEL>>


47/56

Tranzistorul bipolar de putere i tensiune mare

Circuite de baz pentru comanda tranzistorului bipolar:

1)

V 1

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = 5

T R = 1 n

V 2 = 0

R 1

1 0 0

L 1

1 0 u H

1 2

0

R 2

0 . 0 1

Q 1

Q 2 N 2 2 2 2

R 3

1 0 0

V 2

1 0 VI

Curentul de colector:

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18msI(D3)

-20A

-10A

0A

10AV(C3:2,0)

-10V

-5V

0V

5V

SEL>>


48/56

Ti me

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms

I C(Q1)

- 50mA

0A

50mA

100mA

V 1

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = 5

T R = 1 n

V 2 = 0

R 1

1 0 0

L 1

1 0 u H

1 2

0

R 2

0 . 0 1

Q 1

Q 2 N 2 2 2 2

R 3

1 0 0

V 2

1 0 VV

ensiunea de colector:

Ti me


V(Q1:c )

0V

4V

8V

12V

2)

V 3

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = 5

T R = 1 n

V 2 = 0

R 4

1 0 0

0

Q 2

Q 2 N 2 2 2 2

R 6

1 0 0

V 4

1 0 V

C 1

1 n

I


49/56


Ti me


I C(Q2)

- 40mA

0A

40mA

80mA

120mA

V 3

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = 5

T R = 1 n

V 2 = 0

R 4

1 0 0

0

Q 2

Q 2 N 2 2 2 2

R 6

1 0 0

V 4

1 0 V

C 1

1 n

V


Ti me


V(Q2: c)

- 4V

0V

4V

8V

12V

3)

V 5

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = 5

T R = 1 n

V 2 = 0

R 5

1 0 0

L 2

1 5 0 u H

1 2

0

Q 3

Q 2 N 2 2 2 2

R 8

1 0 0

V 6

1 0 V

C 2

1 n

I



50/56

Ti me


I C(Q3)

- 50mA

0A

50mA

100mA

V 5

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = 5

T R = 1 n

V 2 = 0

R 5

1 0 0

L 2

1 5 0 u H

1 2

0

Q 3

Q 2 N 2 2 2 2

R 8

1 0 0

V 6

1 0 V

C 2

1 n

V


Ti me


V(Q3:c )

0V

4V

8V

12V

4)

V 7

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = 5

T R = 1 n

V 2 = 0

R 7

1 0 0

L 3

1 0 u H

1 2

0

Q 4

Q 2 N 2 2 2 2

R

0 . 0 1

V 8

1 0 V

C 3

1 n

L 4

5 u H

1 2

I



51/56

Ti me

0s 10s 20s 30s 40s 50s 60s !0s 80s "0s 100s

I C(Q4)

- 1 . 0 A

0A

1.0A

2.0A

V 7

T D = 0

T F = 1 n

P W = 2 m

P E R = 4 m

V 1 = 5

T R = 1 n

V 2 = 0

R 7

1 0 0

L 3

1 0 u H

1 2

0

Q 4

Q 2 N 2 2 2 2

R

0 . 0 1

V 8

1 0 V

C 3

1 n

L 4

5 u H

1 2

V


Ti me

0s 10s 20s 30s 40s 50s 60s !0s 80s "0s 100s

V(Q4: c)

- 50V

0V

50V

100V

150V

Tranzistorul MO de putere

Circuite de comand:

1)


52/56

V 1

T D = 2 u

T F = 1 n

P W = 2 u

P E R = 4 u

V 1 = 0

T R = 1 n

V 2 = 3

R 1

5 0

D 1

1 N 4 0

1

2

0

I

R 2

0 . 1

R 3

1 0 0

V 2

1 0 0 V

! 1

! 2 N 6 7 8 4

Curentul de dren:

Ti me

0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s

I D( #1)

- 2. 0mA

- 1. 0mA

0A

1. 0mA

2. 0mA

ensiunea de dren:

Ti me

0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s

V(#1: $)

"".8V

""."V

100. 0V

100. 1V

100. 2V

2)

V 3

T D = 2 u

T F = 1 n

P W = 2 u

P E R = 4 u

V 1 = 0

T R = 1 n

V 2 = 3

R 4

5 0

D 2

1 N 4 0

1

2

0

R 5

0 . 1

R 6

1 0 0

V 4

1 0 0 V

! 2

! 2 N 6 7 8 4

D 3

D 1 N 4 1 4 8

I


53/56

Curentul de dren:

Ti me

0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s

I D( #2)

- 2. 0mA

0A

2. 0mA

4. 0mA

ensiunea de dren:

Ti me

0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s

V(#2: $)

"".6V

"".8V

100. 0V

100. 2V

3)

V 5

T D = 2 u

T F = 1 n

P W = 2 u

P E R = 4 u

V 1 = 0

T R = 1 n

V 2 = 3

R 7

5 0

D 4

1 N 4 0

1

2

0

R 8

0 . 1

R

1 0 0

V 6

1 0 0 V

! 3

! 2 N 6 7 8 4

C 1

1 n

I

Curentul de dren:


54/56


55/56


56/56

electronica de puter-laboratoare

Documents