مبدل های پرقدرت و AC Drivers

توسعه دستگاه های سوئیچینگ نیمه هادی اساساً جستجوی سوئیچ ایده آل است.

 تلاش برای کاهش تلفات برق دستگاه، افزایش فرکانس سوئیچینگ و ساده سازی

 مدارهای درایو گیت انجام شده است. تکامل دستگاه‌های سوئیچینگ سرعت توسعه

 مبدل‌های پرقدرت را پیش می‌برد و در عین حال کاربرد گسترده مبدل‌های پرقدرت 

در صنعت، فناوری نیمه هادی را به سمت رتبه‌بندی توان بالاتر با قابلیت اطمینان بهبود یافته و کاهش هزینه سوق می‌دهد.

دو نوع اصلی از دستگاه های سوئیچینگ با توان بالا برای استفاده در مبدل های مختلف وجود دارد:

 دستگاه های مبتنی بر تریستور و ترانزیستور. اولی شامل یکسو کننده کنترل شده

 سیلیکونی (SCR)، تریستور خاموش کردن دروازه (GTO) و تریستور کموتاسیون گیت (GCT) است،

 در حالی که دومی شامل ترانزیستور دوقطبی گیت عایق (IGBT) و گیت ترانزیستور تقویت شده

 با تزریق (IEGT) است. سایر دستگاه‌ها مانند پاور MOS FET، تریستور خاموش کننده امیتر (ETO)،

 تریستور کنترل‌شده با MOS (MCT) و تریستور القایی استاتیک (SIT) اهمیت قابل توجهی در کاربردهای پرقدرت پیدا نکرده‌اند.

شکل 1-1 رتبه بندی ولتاژ و جریان دستگاه های کلیدزنی اصلی را که به صورت تجاری 

برای مبدل های توان بالا در دسترس هستند نشان می دهد. سازندگان نیمه هادی ها می توانند SCR های 

دارای ولتاژ 12 کیلو ولت / 1.5 کیلو آمپر یا 4.8 کیلو ولت / 5 کیلو آمپر را ارائه دهند.

 GTO و GCT devices می توانند به ولتاژ و جریان 6 کیلو ولت و 6 کیلو آمپر برسند. رتبه‌بندی دستگاه‌های IGBT نسبتاً پایین است، اما می‌تواند به 6.5 kV/0.6 kA یا 1.7 kV/3.6 kA برسد.

در این بخش ویژگی‌های دستگاه‌های نیمه‌رسانای پرقدرت که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند

 معرفی می‌شوند، تکنیک‌های یکسان سازی ولتاژ استاتیکی و دینامیکی برای دستگاه‌های متصل سری

 مورد بحث قرار می‌گیرند و عملکرد این دستگاه‌ها مقایسه می‌شود.

شکل 1-1 درجه بندی ولتاژ و جریان دستگاه های نیمه هادی پرقدرت.

2. 2. دستگاه های سوئیچینگ با توان بالا

2.1 دیودها

دیودهای پرقدرت را می توان به طور کلی به دو نوع طبقه بندی کرد: (الف) نوع همه منظوره برای استفاده

 در یکسو کننده های فرکانس خط کنترل نشده و (ب) نوع بازیابی سریع مورد استفاده در مبدل های

 منبع ولتاژ به عنوان دیود چرخ آزاد. این دیودها به صورت تجاری با دو روش بسته بندی در دسترس هستند:

 دیودهای بسته پرس و ماژول همانطور که در شکل 2-1 نشان داده شده است.

مجموعه دستگاه-هیت سینک برای دیودهای پرس پک و ماژول در شکل 2-2 نشان داده شده است.

 دیود پرس پک دارای خنک کننده دو طرفه با تنش حرارتی کم است. برای کاربردهای ولتاژ متوسط که ممکن است

 تعدادی از دیودها به صورت سری به هم وصل شوند، دیودها و هیت سینک آنها را می توان

 تنها با دو پیچ مونتاژ کرد که منجر به چگالی توان بالا و هزینه های مونتاژ پایین می شود.

 این یکی از دلایل محبوبیت مداوم نیمه هادی های پرس پک در درایوهای ولتاژ متوسط است

 دیود مدولار دارای یک صفحه پایه عایق با خنک کننده یک طرفه است که می توان تعدادی دیود را روی یک قطعه هیت سینک نصب کرد.

2.2 یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون (SCR)

— مجموعه های دستگاه هیت سینک برای پرس پک و دیودهای ماژول. (الف) یکسو کننده دیود (ب) بسته پرس (ج) ماژول

SCR یک دستگاه مبتنی بر تریستور با سه پایانه است: گیت، آند و کاتد.

می توان آن را با اعمال یک پالس جریان دروازه مثبت با مدت زمان کوتاه روشن کرد، مشروط بر اینکه بایاس رو به جلو باشد. هنگامی که SCR روشن می شود، آن را بسته می شود. دستگاه را می توان با اعمال جریان آند منفی تولید شده توسط مدار برق آن خاموش کرد.

دستگاه SCR را می توان در یکسو کننده های فاز کنترل شده برای درایوهای تغذیه شده با اینورتر منبع جریان PWM یا اینورترهای تغییر بار برای درایوهای موتور سنکرون استفاده کرد. قبل از ظهور دستگاه های خود خاموش شونده مانند GTO و IGBT، SCR همچنین در اینورترهای منبع ولتاژ کموتاسیون اجباری استفاده می شد.

اکثر SCR های پرقدرت از نوع پرس پک هستند.

ماژول های SCR با صفحه پایه عایق شده برای کاربردهای کم و متوسط محبوبیت بیشتری دارند.

شکل 2-4 ویژگی های سوئیچینگ دستگاه SCR و شکل موج های معمولی برای جریان گیت iG، جریان آند iT و ولتاژ آند-کاتد vT را نشان می دهد.

فرآیند روشن کردن با اعمال یک جریان گیت مثبت iG به گیت SCR آغاز می شود. رفتار روشن با زمان تاخیر td، زمان افزایش tr و زمان روشن شدن tgt تعریف می شود.

فرآیند خاموش کردن با اعمال یک جریان منفی به سوییچ در لحظه t1 آغاز می شود، که در آن جریان آند iT شروع به کاهش می کند. جریان منفی توسط ولتاژ برق زمانی که SCR در یکسو کننده استفاده می شود یا توسط ولتاژ بار در یک اینورتر با تغییر بار تولید می شود. گذرا خاموش شدن با زمان بازیابی معکوس trr، پیک جریان بازیابی معکوس Irr، شارژ بازیابی معکوس Qrr و زمان خاموشی tq مشخص می شود.

جدول 2-1 مشخصات اصلی یک دستگاه SCR 12-kV/1.5-kA را فهرست می کند، که در آن VDRM حداکثر ولتاژ خارج از حالت پیک تکراری، VRRM حداکثر ولتاژ معکوس پیک تکراری، ITAVM حداکثر جریان متوسط در حالت است. و ITRMS حداکثر جریان rms در حالت است. زمان روشن شدن tgt 14 _s و زمان خاموش شدن tq 1200 _s است. نرخ افزایش جریان آند diT/dt در هنگام روشن شدن و افزایش ولتاژ دستگاه dvT/dt در هنگام خاموش شدن پارامترهای مهم برای طراحی مبدل هستند. برای اطمینان از عملکرد مناسب و قابل اطمینان، از حداکثر محدودیت برای diT/dt و dvT/dt نباید تجاوز کرد. شارژ بازیابی معکوس Qrr معمولاً تابعی از زمان بازیابی معکوس trr و جریان بازیابی معکوس Irr است. برای کاهش تلفات برق هنگام خاموش شدن، SCR با مقدار Qrr پایین ترجیح داده می شود.

—- مشخصات اصلی SCR 12-kV/1.5-kA