طراحی و ساخت قفل الکترونيکي

رديابي گوشی همراه

كنترل هوشمند چهارراه

طراحی و ساخت مين ياب هوشمند

ادامه 

موضوع مقاله :

 معرفی برخی از نیمه هادیهای قدرت پرکاربرد((power Semiconductor

 

 

در مبدلها عمدتاً از عناصر نيمه هادي زير بعنوان ابزار كليدزني (سوئيچينگ) استفاده ميشود.

 

1- تريستورها

2- ديودها

3-ترانزيستورهاي قدرت

4-ماسفت ها

5- آی جی بی تی ها (IGBT)

6- ترياك ها

7-جی تی او ها(GTO)

 

نكتة مثبت دربارة كليدهاي فوقالذكر آنست كه تلفات كاهش يافته و بازده مبدل افزايش مييابد. نكته منفي دربارة كليدهاي فوق ايجاد هارمونيك و تداخل فركانسهاي راديويي است.

 

در اين بحث بيشتر راجع به تريستورها وIGBT  صحبت ميكنيم.زیرا در بیشتر درایوها از این دو عناصر قدرت استفاده می شود.

 

7-1تريستورها:  Thyristor

 

 تريستور كه نام ديگر آن يكسو ساز كنترل شدة سيليكوني ( SCR) ميباشد از حدود 40 سال پيش در مبدلها و سيستمهاي كنترل سرعت ماشين الكتريكي بكار رفته است. تريستور يك نيمه هادي چهار لاية P-N-P-Nبوده و سه پايانهاي است.

پايانة اول آند نام دارد و به پايانة دوم كاتد گفته ميشود. پايانة سوم به دروازه يا گيت معروف است بايد گفت كاتد با Kو آند با Aو گيت با Gنشان داده ميشوند. پايانههاي كاتد و آند به مدار اصلي قدرت وصل ميشوند.

پايانة گيت شامل جريان كمي بوده و جهت جريان از گيت به كاتد است. تريستور در دو حالت پايدار روشن و خاموش مورد بهرهبرداري قرار ميگيرد.

src

 

 مشخصههاي كليد زني (سوئيچينگ):

اگر تريستور در شرايط گرايش مستقيم باشد و پالس جريان گيت( IG)   اعمال شود تريستور روشن ميشود. پس از آغاز هدايت جريان مستقيم قابل ملاحظهاي برقرار شده و ديگر گيت بر روي تريستور كنترل ندارد. اگر جريان تريستور (جريان آند) صفر شود تريستور خاموش ميگردد و به اين حالت كموتاسيون طبيعي اطلاق ميشود. اگر جريان بالاجبار صفر شود كموتاسيون اجباري شكل ميگيرد.

 

حفاظت:

اگر نرخ تغييرات جريان تريستور شديد و زياد باشد (di/dt) تريستور ممكن است خراب شده و از بين برود. لذا بايد قبل از تريستور يك اندكتانس وجود داشته باشد تا di/dt  كمتر از حد مجاز اعلام شده توسط كارخانه سازنده گردد.

تريستور ممكن است بدون جريان گيت روشن شود مشروط بر آنكه ولتاژ مستقيم به سرعت اعمال گردد اين پديده را روشنسازي dv/dtمينامند. اين امر ممكن است عملكرد مدار را با مشكل مواجه سازد.

يك مدار محافظتي RCبراي محدود كردن dv/dtبكار ميبرند به اين مدار محافظتي Snubberگويند.

باید به این نکته توجه کرد که اگر تریستور در ولتاژ ACبه کار برده شود فقط نیم سیکل را عبور میدهد.این قطعه در واقع کلیدی است که فقط در جریان DCدقیقآ مثل کلید معمولی عمل میکند و در جریان های ACمثل کلید معمولی عمل نمی کند.

اگر پایه ی گیت را با یک مقا ومت یک لحظه به پایه ی آند وصل کنیم تریستور مثل کلید بسته عمل میکند (روشن می شود) و بعد از جدا کردن پایه ی گیت از مقاومتی که طرف دیگر آن به آند خورده بود تریستور همچنان روشن خواهد ماند.

مشخصه بایاس معکوس تریستور:

مشخصه معکوس یعنی حالتی که کاتود ، مثبت است ، تا زمانی که ولتاژ اعمال شده از ولتاژ شکست پیوند کنترل مرکزی بیشتر نشود ، فقط جریان نشتی عبور خواهد کرد . ولتاژهای شکست مستقیم و معکوس از نظر اندازه مساوی هستند .

چون در حالت انسداد معکوس تقریباً همه ولتاژ روی پیوند P-Nآنود ظاهر می شود ، پیوند P-Nکاتود در ولتاژی حدود10ولت می شکند . هنگامی در جهت مستقیم شکست اتفاق می افتد ،جریان لایه مرکزی Pتوسط الکترون های کاتود خنثی می شود و قطعه مانند یک دیود در حال رسانایی عمل می کند که دارای دو پیوند با افت ولتاژ مستقیم دو برابر یک دیود است . برای این که تریستور به حالت روشن رفته و در آن حالت باقی بماند ،جریان آنود باید به سطح جریان تثبیت کننده برسد و از جریان نگهدارنده کمتر نشود .

معمولاً جریان تثبیت کننده دو برابر جریان نگهدارنده است ، اما هر دو جریان مقدار کمی دارند و کمتر از یک درصد مقدار نامی در بار کامل می باشند  .

 

مشخصه بایاس مستقیم تریستور:

در حالت بایاس مستقیم ( هنگامی آنود مثبت است ) تریستور را می توان با تزریق جریان به گیت نسبت به کاتود منفی به حالت روشن برد . 

 

خاموش کردن تریستور:

اگر پایه ی گیت منفی شود تریستور خاموش می شود. برای این کار میتوانیم یک پالس منفی به آن بدهیم. اگر پایه ی گیت را با یک مقا ومت به پایه ی کاتد وصل کنیم تریستور خاموش خواهد شد. در ضمن تریستور حداقل جریانی دارد و اگر جریان از آن حداقل کمتر شود آنگاه نیز تریستور خاموش میشود.

پس اگر تریستور را با دادن پالس مثبت به گیت آن روشن کردیم و سپس پایه ی گیت را جدا کردیم (به هیچ جا وصل نبود) تا زمانی که گیت را منفی نکردیم یا جریان عبوری ازتریستور (آند_ کاتد تریستور) از حداقل کمتر نشده تریستور خاموش نمیشود.

 

تشخیص پایه های تریستور:

گیت به کاتد در گرایش مستقیم راه می دهد . ودر گرایش معکوس راه نمی دهد و در حالت معمولی آند به کاتد راه نمی دهد . از همین روش برای تشخیص پایه های آن می توان استنفاده کرد .

یعنی دنبال پایه ای می گردیم که مانند یک دیود در حالت گرایش مستقیم عمل کند . در این حالت ترمینال قرمز مولتی متر کاتد و ترمینال مشکی Gرا نشان می دهد . و پایه باقیمانده آند است .(البته مولتی متر آنالوگ با دیجیتال فرق می کند)

یک تریستور 2000V‌ ، 300Aبطور نمونه دارای یک برش سیلیکونی به قطر mm 30و ضخامت 0.7mmاست.

تریستور را در این شرایط می توان به صورت اتصال سری سه دیود در نظر گرفت که مانع هدایت جریان در هر دو جهت می شوند . مشخصه معکوس یعنی حالتی که کاتود ، مثبت است ، تا زمانی که ولتاژ اعمال شده از ولتاژ شکست پیوند کنترل مرکزی بیشتر نشود ، فقط جریان نشتی عبور خواهد کرد . ولتاژهای شکست مستقیم و معکوس از نظر اندازه مساوی هستند . چون در حالت انسداد معکوس تقریباً همه ولتاژ روی پیوند P-Nآنود ظاهر می شود ، پیوند P-Nکاتود در ولتاژی حدود10V‌می شکند . هنگامی در جهت مستقیم شکست اتفاق می افتد ،جریان لایه مرکزی Pتوسط الکترون های کاتود خنثی می شود و قطعه مانند یک دیود در حال رسانایی عمل می کند که دارای دو پیوند با افت ولتاژ مستقیم دو برابر یک دیود است . برای این که تریستور به حالت روشن رفته و در آن حالت باقی بماند ،جریان آنود باید به سطح جریان تثبیت کننده برسد و از جریان نگهدارنده کمتر نشود . معمولاً جریان نگهدارنده است ،اما هر دو جریان نگهدارنده کمتر نشود . معمولاً جریان تثبیت کننده دو برابر جریان نگهدارنده است ، اما هر دو جریان مقدار کمی دارند و کمتر از یک درصد مقدار نامی در بار کامل می باشند  .

 

هشدار:

1- هیچگاه نباید ولتاژی که تریستور در آن کار میکند بیش از ولتاژ تعریف شده ی( آند- کاتد) باشد.

2- نباید بیش از جریان تعریف شده ی تریستور از آن جریان عبور داد.

3- جریان گیت نباید از حد مجاز بیشتر شود.{7}

انواع تریستورها در الکترونیک صنعتی:

هنوز هم در الکترونیک صنعتی در کاربردهای ولتاژ بالا و جریان بالا از تریستورها استفاده میکنیم.انواع جدیدی از تریستورها ساخته شده که عبارتند از:

 

1-Phase Control Thyristors (SCR)

2-(Fast Switching Thyristors (SCR

3-Gate Turn-off Thyristors (GTO)

4-(Bidirectional Triode Thyristors (TRIAC

5-Reverse Conducting Thyristors (RCT)

6-(Static Induction Thyristors (SITH

7-Light Activated Silicon Controlled Rectifiers (LASCR)

8-(FET Controlled Thyristors (FET-CTH

9-MOS Controlled Thyristors (MCT)

 

 

7-2 ترياك:  Triac

ترياك از دو تريستور موازي و معكوس تشكيل شده است و شماي سمبليك يا طرحواره آن در شكل زير نشان داده شده است.

ترياك

 

بايد گفت اگر پايانة T1نسبت به پايانة T2مثبت باشد و گيت توسط جريان مثبت IGتحريك شود ترياك روشن ميگردد.

اگر پايانة T2نسبت به پايانة T1مثبت باشد و جريان گيت منفي IGباشد باز هم ترياك روشن ميشود.

 

- تریستورها هدایت معکوس(RCT)

 

در بسیاری از مدارهای چاپر و اینورتر یک دیود بصورت موازی ومعکوس به یک تریستور متصل میشود تا نیاز خاموشی مدار کوتاسیون را بهبود بخشیده وامکان برقراری جریام معکوس ناشی از بار سلفی را فراهم کند . دیود ، سطح ولتاژ ممانعت کننده معکوس تریستور را به یک تا دو ولت زیر مقدار حالت پایدار می اورد . گرچه در شرایط گذرا ممکن است ولتاژ معکوس به خاطر ولتاژ القا شده در اندوکتانس پراکندگی مدار در قطعه به30 ولت برسد .

 

RCTقطعه ای است که مشخصه های عنصر را با نیاز مدار تطبق می دهد ومیتوان انرا همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، مشابه یک تریستور با یک دیود موازی معکوس در داخل ان در نظر گرفت . RCTتریستور نا متقارن نیز نامیده میشود . ولتاژ ممانعت کننده مستقیم بین 400 تا 2000 ولت تغییر کرده وجریان میتواند تا 500 آمپر افزایش یابد .مقدار ولتاژ ممانعت کننده معکوس معمولا بین 30 تا 40 ولت است . از انجایی که نسبت جریان مستقیم گذرنده از تریستور به جریان معکوس دیود برای یک قطعه مقدار ثابتی است،کاربردهای انها به طراحی مدار های خاص محدود میشود . 

 

تریستورهای القا  استاتیک

 

این المان جدید که SITHنام دارد با اعمال یک پالس مثبت به گیتش روشن شده و با اعمال یک پالس مثبت به گیتش خاموش میشود.

سرعت این المان در حد 1 تا 5 میکرو ثانیه است که از بقیه انواع تریستورها سریعتر است.همچنین دارای dv/dt‌و di/dtقابل توجهی است.

یکسو کننده های کنترل شده سیلیکونی فعال شونده با نور:

این تریستور با تابش مستقیم نور به تراشه سیلیکونی روشن میشود . زوجهای حفره الکترونی که در اثر تابش نور ایجاد شده اند ، تحت تاثیر میدان الکتریکی جریان تریگر را تولید می کنند . ساختمان گیت طوری طراحی شده که به حد کافی گیت حساس باشد تا توسط منابع نور عملی تریگر شود .

 

LASCRها در کاربردهای جریان و ولتاژ بالا مورد استفاده قرار میگیرد . برخی از این کاربردها عبارتند از : خط انتقال ولتاژ بالا وتصحیح توان راکتیو استاتیک در LASCRمیان منبع نوری محرک وقطعه کلید زنی مبدل توان ،ایزولاسیون کامل الکتریکی وجود دارد . ولتاژ نامی این تریستورها میتواند تا4کیلو ولت در 1500آمپر در شرایطی که توان منبع تریگر نوری کمتر از 100میلی وات باشد ،بالا رود . 

 

7-3 تريستور GTO:  

 در تريستور GTOهمانند تريستور معمولي روشن سازي توسط اعمال پالس جريان مثبت IGبه گيت صورت ميگيرد. نكتة مهم در تريستور GTOآنست كه با اعمال پالس منفي جريان به گيت ميتوان آنرا خاموش ساخت. لذا خاموش و  روشن كردن تريستور GTOتوسط جريان گيت قابل كنترل است.

فرآيند روشن سازي تريستور GTOشبيه تريستور معمولي است اما فرآيند خاموش سازي آن با تريستورهاي معمولي فرق دارد. در فرآيند خاموش سازي اگر ولتاژ منفي به دو سر پايانة گيت و كاتد اعمال شود جريان منفي گيت افزايش مييابد.

هرگاه جريان گيت به حد ماكزيمم خود يعني IGRرسيد جريان آند سقوط كرده و در همين اثنا ولتاژ آند –كاتد شروع به افزايش ميكند. زمان سقوط جريان حدود يك ميكروثانيه است. پس از خاتمه زمان سقوط جريان آند به آرامي به سمت صفر ميرود اين بخش از جريان آند را جريان دنباله مينامند. بايد گفت در حين خاموش سازي تريستور GTOاگر ولتاژ VPزياد باشد ممكن است به تريستور آسيب وارد شود. تريستورهاي GTOعمدتاً توانايي سد ولتاژ معكوس را ندارند و غالباً با يك ديود موازي بسته ميشوند. همچنين موازي تريستور GTOمدار حفاظتي Snubberقرار ميگيرد. علت اين امر آنست كه :

الف _ در زمان سقوط جريان در حين فرآيند خاموش سازي جريان به سمت خازن منحرف شده و خازن را شارژ ميكند.

ب –در حين فرآيند خاموش سازي مدار Snubberباعث محدود كردن dv/dtميشود.

 

7-4 ترانزيستورهاي قدرت BJT:

يك ترانزيستور نيمه هادي سه لايه P-N-Pيا N-P-Nداراي دو اتصال است. اين نوع ترانزيستور بعنوان ترانزيستور متصل دو قطبي شناخته ميشود. سه پايانة اين ترانزيستور جمعآوري كننده (C)پاية (B) و پخش كننده (E) خوانده ميشوند. پايانههاي جمعآوريكننده و پخشكننده به مدار اصلي قدرت و پايانة مبنا به سيگنال كنترل متصل شدهاند.

مانند تريستورها، ترانزيستورها هم ميتوانند به شيوة سوئيچينگ عمل كنند اگر جريان مبناي IB‌صفر شود ترانزيستور خاموش است و بعنوان يك كليد باز عمل ميكند. از سوي ديگر اگر IBبراي راندن ترانزيستور بسمت اشباع كافي باشد ترانزيستور مانند يك كليد بسته عمل ميكند.

 

 

tr

 

 7-5 ماسفت ها:

ماسفت يك ترانزيستور سوئيچينگ خيلي سريع است كه احتمال كاربردهايي با فركانس بالا و توان اندك را ميدهد. نامهاي تجاري ديگري براي اين وسيله وجود دارد مانند:

 

Hexfet ، Simmosو Timos. سه پايانه به نامهاي drain، منبع يا سورس و دروازه يا گيت ناميده شدهاند.

جريان از سمت D‌به Sميباشد. دستگاه توانايي مسدود كردن ولتاژ معكوس را ندارد و هميشه با يك يكسوساز معكوس همراه است.

برخلاف يك ترانزيستور دو قطبي كه توسط جريان تحريك ميشود يك ماسفت يك دستگاه كنترل شده توسط ولتاژ است. با ولتاژ مثبتي كه به دروازه اعمال ميشود ترانزيستور روشن ميشود. دروازه توسط يك لاية اكسيد سيليكوني ايزوله شده و بنابراين امپدانس ورودي جريان دروازه بينهايت بالاست. جريان تحريك دروازه بسيار پايين و در حدود كمتر از يك ميلي آمپر ميباشد.

mosfet

 

7-6آی جی بی تی :IGBT

IGBTيك نيمه هادي پيوندي است و از تركيب BJTو ماسفت ميباشد. اين دستگاه دروازهاي همانند ماسفت دارد و از اين رو از امپدانس ورودي بالايي برخوردار است. اين دروازه توسط ولتاژ تحريك ميشود همانند آنچه در ماسفت روي ميدهد. سنبل استفاده شده در شكل زير نشان داده شده است .

 

 

igbt

 IGBTمانند ماسفت پديده فروپاشي ثانويه را از خود نشان نميدهد همچنين مانند BJTسقوط ولتاژ كمي را داراست.

 

سرعت سوئيچينگ IGBTكمتر از ماسفت و به BJTشبيه است.

 

IGBTها با مقادير 1500 ولتي و 1000 آمپري اكنون در دسترس هستند و بر BJTها ترجيح دارند.

IGBTقطعهاي با اهميت جهت ساخت سوئيچ استاتيك كارا  در زمينهء الكترونيك قدرت ميباشد.

درایو کردن ترانزیستور IGBTبرای سوییچینگ قدرت :

 برای درایو کردن تمام ترانزیستور کافی است ماهیت ورودی آنها به طور کامل مورد بررسی قرار گیرد .

در ترانزیستور IGBTباید مدار قرار گرفته بین دو پایه ی گیت و امیتر مورد توجه قرار گیرد تا این مشخصات باعث ایجاد مشکلات در درایو کردن این ترانزیستور نشود.

با توجه به ساختار داخلی IGBTمدار قرار گرفته شده بین دو پایه ی گیت و امیتراز یک خازن تشکیل شده که بار الکتریکی ذخیره شده در این خازن در نیمه هادی نوع p  و صفحه ی خازنی گیت می باشد.

این ترازیستور ها ترانزیستور تحت تاثیر میدان الکتریکی می باشند و میدان الکتریکی تولید شده در این ترانزیستورها به وسیله ی شارژ و دشارژ شدن خازن ساختار داخلی این المان ها انجام می پذیرد. ثابت زمانی شارژی و دشارژی در خازن ورودی توسط حاصل ضرب ظرفیت خازنی گیت امیتر و مقاوت سری شده با آن بدست می آید هر چقدر زمان این ثابت زمانی کمتر باشد سوییچینگ با کیفیت بالا تر و به صورت صفر و یکی کامل انجام می شود .

ترانزيستور چگونه کار میکند؟

Transistor

Ie = Ib + Ic

 

در مطالب قبل دیدیم که چگونه می توان با برقراری جریان کمی میان بیس و امیتر ترانزیستور جریان قابل توجهی در مسیر کلکتور - امیتر را می توان راه اندازی و کنترل کرد. در این مطلب با دقت بیشتری این موضوع را بررسی کرده و نقش ترانزیستور بعنوان یک تقویت کننده جریان را توضیح خواهیم داد.

راجع به مدار شکل اول در مطلب قبل توضیح دادیم و دیدیم که که چگونه با بایاس کردن پیوند کوچک بیس - امیتر می توان میان کلکتور و امیتر جریان بزرگی را برقرار کرد. بدون آنکه وارد معادلات پیچیده ریاضی شویم با دقت در شکل اول می توان برای نقطه ای که ترانزیستور قرار دارد جمع جبری جریان ها را معادل صفر قرار داد و از آن نتیجه بسیار جالب زیر را گرفت :

 

Ie = Ib + Ic

 

از شکل هم کاملآ مشخص است که جریان های ورودی به ترانزیستور - در حالت ایده آل - باید مساوی با جریان های خروجی باشد. این معادله بعد ها برای انجام محاسبات بایاسینگ یک ترانزیستور بسیار کاربرد خواهد داشت.

اگر در آزمایشگاه مدار فوق را با یک ترانزیستور معمولی بسته و پیوند بیس - امیتر را بایاس کنید خواهید دید که برای ولتاژ ثابت Vbeو Vceنسبت جریان عبوری از کلکتور به جریان بیس در محدوده ای که ترانزیستور بصورت خطی کار می کند و اشباع نشده است تقریبآ مقدار ثابتی است. به این مقدار ضریب تقویت جریان می گویند و اغلب آنرا با hfeنمایش می دهند، یعنی :

 

hfe = Ic / Ib

 

7-7 ترانزیستور   TRANSISTOR

در محدوده عملکرد خطی جریان کلکتور ضریبی از جریان بیس خواهد بود.

در طراحی مدارها مقادیر پارامتر هایی که از یک ترانزیستور انتظار می رود، مشخص شده و سپس طراح می تواند با مراجعه به کتابهای مشخصات ترانزیستور، ترانزیستور مورد نظر خود را انتخاب کند. این پارامترها عموما عبارتند از :

Ic Max: ماکزیمم جریان کلکتور (می تواند از حدود 100 میلی آمپر تا چند ده آمپر باشد)

Vce Maz: ماکزیمم ولتاژ کلکتور- امیتر (می تواند از حدود 20 ولت باشد تا حدود 100 ولت)

hfe Min: حداقل ضریب تقویت جریان (از حدود 10 برای ترانزیستورهای قدرت تا چند صد)

P Max: قدرت تحمل توان ماکزیمم (از حدود چند صد میلی وات تا حدود 200 وات)

 

عموما مشخصات مداری برای شما مشخص می کند که از چه ترانزیستوری با چه پارامترهایی استفاده کنید.

 

 

این مطالب قسمتی از کتاب طراحی ، ساخت و عیب یابی کنترل دور موتورهای الکتریکی با مصرف انرژی بهینه بود. برای تهیه این کتاب روی لینک زیر کلیک کنید. http://www.maes.ir/mahsolat-ma/item/11-cdvaketab/78-1390-06-23-11-09-09

نور پردازي پل كابلي تبريز

روشنايي بيلبوردهاي جاده اي شيراز

نصب سيستم برق اضطراري (UPS) نداجا

طراحي سيستم اضطراري (LED) براي پتروشيمي تبريز

 ساير پروژه هاي انجام شده