ابزار برقي نيمه هادي

دوران جديد از علم الكترونيك هيدروليكي برقي با معرفي تراستورها در اواخر دهه ۱۹۵۰ آغاز شد. امروزه انواع مختلفي از ابزار برقي و هيدروليكي براي كاربرد در فركانس ها و قدرت هاي بالا در دسترس وجود دارد. برجسته ترين ابزار برقي و هيدروليكي تراستورهاي محل ورود گيت و خروج روشن خاموش ترانزيستور هاي دارلينگتون هيدروليكي برقي و ترانزيستورهاي دوقطبي گيت روكشدار شده (iGBIs) مي بشند. ابزار هيدروليكي قبرقي نيمه هادي مهمترين عناصر عملكردي در تمامي كاربردهاي تبديل قدرت برق محسوب مي شود.

ابزار برقي اساساً به عنوان سوئيچ هايي براي تبديل قدرت از يك شكل به شكل يديگر به كار برده مي شوند. آنها در سيتسم هاي كنترل موتوري ذخاير برقي متداوم انتقال جريان مستقيم با ولتاژ بالا ذخاير قوه گرم سازي القايي و در بسياري از ساير كاربردهاي تبديل قدرت به كار برده مي شوند. بررسي ويژگي هاي اصلي اين ابزارهاي موتوري در اين فص آمده است.
تيراستور و تراياك (مهار نيرو)

از تراستورها همچنين يك كننده گاهي كنترل شونده سيليكوني نام برده مي شود. كه اساساً يك دستگاه pnpn هم كنشگر سه قسمتي چهار لايه مي باش.د كه داراي ۳ ترمينال يا پايانه مي باشد:

آند، كاتد و گيت محل ورودي، خروجي اين دستگاه به واسطه ايجاد يك پالس كوتاه در مسير گيت و كاتد روشن مي شود.
به محض روشن شدن دستگاه گيت كنترل خود را براي خاموش كردن دستگاه از دست مي دهد. و خاموش شدن به واسطه ايجاد ولتاژ برعكس در آند و كاتد رخ مي دهد. شكل تراستور و ويژگي هاي ولتاژ آمپر آن در نمودار ۳۰۰۱ آمده است. اصولاص ۲ طبقه بندي در مورد تيراستورها وجود دارد: دستگاه حركت برگردان (كه جريان متناوب را به جريان مستقيم تبديل مي كند و حركت وارون مي سازد كه جريان مستقيم را به متناوب تبديل مي كند) تفاوت ميان يك دستگاه تيراستور برگردان و وارون ساز زمان پايين خاموش شدن دومي مي

باشد. تيراستورهاي برگردان پايين است و در كاربردهاي دگرسو سازي هاي طبيعي استفاده مي شوند. تيراستورهاي وارون ساز در كاربردهاي تبديل برق اضطراري همچون جاپرها dc-dc و وارون سازي dc-ac استفاده مي شوند. تيراستورهاي وارون ساز به ويسله تبديل جريان به صفر با استفاده از يك مدار خارجي تبديل برق خاموش مي شوند. و اين امر مستلزم اجزاي سازنده تبيدل برق اضافي مي باشد. از اين رو خسارات اضافي در دستگاه وارون ساز جريان را موجب مي شود.

تيراستورها در شرايط جريان هاي موقتي و قابليت dv/dt بسيار قوي و نيرومند عمل مي كنند. ولتاژ پيشين در تيراستورها حدود ۵/۱ تا ۲ ولت مي باشد. و حتي در جريان هاي بيشتر در ترتيب A1000 اغلب به ۳ ولت هم مي رسد.

هنگامي كه ميكروولتاژ پيشين كاهش برق دستگاه را در هر جريان ايجاد شده مشخص مي كند كاهش برق تغيير يافته تبديل به فاكتور مسلمي براي تحت تاثير قرار دادن دماي هم كنشگر و بخش نيم رسانا در فركانس هاي بسيار بالا م يشود. به همين علت ماكزيمم فركانس هاي متغير ممكن كه از تيراستورها استفاده مي كنند، در مقايسه با ساير دستگاه هاي برقي كه در اين فصل به آنها اشاره شده است محدودتر مي باشد.

تيراستورها داراي قابليت و توان مقاوم I2t مي باشند و به وسيله فيزوها محافظت مي شوند. قابليت جريان فراتاخت بدون تكرار تيراستورها حدود ۱۰ برابر جريان زاويه چهارگوشي دار ميانگين ريشته رده بندي شده آنها مي باشد. (rms) آنها بايد توسط شبكه هاي اتصالي سربالايي به دليل تاثيرات

di/d+ , dv محافظت شوند. اگر dr/dt مشخص شد. افزايش يابد تيراستورها ممكن است هدايت جريان را بدون استفاده يك پالس گيت (محل خروج و ورود) شروع كنند. در كاربردهاي تبديل جريان dc به ac لازم است از يك ديود غير موازني با ميزان سرعت و براورد يكسان و مشابه در طول مسير هر يك از تيراستورهاي اصلي استفاده كنيد. تيراستورها تا v 6000 و A 3500 قابل دسترسي و استفاده هستند.

يك تراياك در واقع به طور عملكرد يك جفت از تيراستورهاي برگردان جريان كه به طور غيرعادي با هم مرتبط اند مي باش.د شكل تراياك و ويژگي هاي ولت آمپر آن در نمودار ۳۰۰۲ نمايش داده شده است. بعلت تلفيق و يكي سازي، تراياك از ويژگي dr/dt دوباره به كار برده شده ضعيف، حساسيت ضعيف جريان گيت ورودي و خروجي در زمان روشن بودن دستگاه طولاني تر بودن مدت زمان خاموشي برخوردار مي باش.د تراياك اساساً در كاربرد هاي كنترل فاز همچون تنظيم كننده ac براي روشن كردن و كنترل فن و همچنين در رله هاي حالت جامد به كار برده مي شوند.

تيراستورهاي خاموش كننده گيت: (GTO)
GTO در واقع ابزار برقي مي باشند كه با يك پالس كوتاه جريان گيت روشن شده و به واسطه ايجاد يك پالس گيت برعكس جريان خاموش مي شوند. اين دامنه نوسان جريان بالعكس گيت بستگي به جريان آندي دارد كه خاموش مي شود. بنابراين نيازي به يك مدار دگرسو سازي خارجي براي خاموش كردن آن نيست. زيرا خاموش شدن به واسطه ميان پر زدن مستقيم رساناگر ها به مدار گيت تامين مي شود و زمان خاموش شدن آن بسيار كوتاه مي باشد. در نتيجه قابليت بيشتري نسبت به ترانزيستورها براي عملكرد با فركانس بالا در اخترا قرار مي دهد. نماد GTO و ويژگي هاي خاموش شدنش در نمودار ۳۰٫۳ نشان داده شده است.

GTO دااراي قابليت و توانايي مقاوم I2t مي باشد و در نتيجه با فيزوهاي نيم هادي قابل محافظت هستند. براي قابل اطمينان بودن عملكرد GTO جنبه هاي حياتي و مهم طراحي مناسب از مدار خاموش كردن گيت و مدار اتصالات سربالايي آن مي باشد.

۱- يك GTO از دريافتي جريان خاموش كردن ضعيفي بنا به تعريف ۴ به ۵ برخوردار است. بعنوان مثال يك جريان اوج ۲۰۰۰ آمپري GTO ممكن است مستلزم يك جريان ۵۰۰ آمپري از جريان گيت بالعكس باشد. همچنين در يك GTO تمايل به جفت شدن در دماهايي بالاتر از ۱۲۵ درجه دارد. GTO تا جريان هاي حدود ۴۵۰۰ و ۲۵۰۰A قابل دسترسي هستند.
تيراستورهاي بالعكس كننده جريان (RCT) و يكسو كننده كنترل شونده سيليكوني نامتقارن (ASCR) معمولا در كاربردهاي وارون سازي جرياني، يك ديود در حالت غير موادي به تيراستور براي اهداف تبديل جريان برق آزادسازي جريان متصل مي شود. در RCT ها ديود با يك تيراستور تعويض متغير جريان سريع در كي تراشه سيليكوي تك ادغام شده است. بنابراين شمار ابزار موتوري و برقي قابل كاهش است.

اين ادغام و تركيب منجر به بهود و پيشرفت ويژگي هاي ديناميكي و استاتيكي راهي تندكارايي عملكرد نهايي مدار آن مي شود. RTC ها اساساً براي كاربردهاي خاصي همچون كشش طراحي شده اند. ديود ناموازي ولتاژ بالعكس را در مسير تيراستور از ۱ به ۲۰ ولت تغيير محدود مي كند. همچنين به خاطر عمل احيا بالعكس ديودها ممكن است زماني كه ديود از ولتاژ بالعكس خود دوباره پوشانده مي شود تيراستور دوباره به كار برده شده در حد بسيار بالا به نظر آيند.

اين امر استفاده وسيع شبكه هاي RC بزرگ و وسيع را براي حذف كردن ولتاژهاي موقتي و گذرا ضروري ساخته است. همينطور كه دامنه كاربرد تيراستورها و ديودها به فركانس هاي بالاتر افزايش مي يابد. شارژ بازيافت بالعكس آنها به طور روزافزوني مهمتر مي شود. شارژ بازيافت و احياي بالعكس در سطح عالي و بالا به اتلاف انرژي و برق بيش از حد در هنگام انتقال منجر مي شود.

ASCR، از قابليت حذف و جلوگيري كردن جريان مشابهي همانند تيراستور وارون ساز جريان رخ مي دهد. برخوردار است. اما داراي يك تيراستور محدود بالعكس از يك سرعت و برآ‎ورد مشابه مي باشد. ASCR داراي اين ويژگي خاص مي باشد. زمان خاموش شدن سريع كه در نتيجه مي تواند در يك فركانس بالاتر از يك SCR عمل مي كند. از آنجائي كه زمان خاموش شدن آن به وسيله يك عامل تقريباً ۲ برابر پايني كاهش آورده مي شود. اندازه اجزاي سازنده تبديل جريان برق آن نيز به نصف كاهش مي يابد. به همين علت خسارات و اتلاف انرژي در انتقال جريان نيز كاهش خواهند يافت. تكنيك هاي خاموش كردن با استفاده از گيت براي كاهش حتي بيشتر زمان خاموش كردن يك ASCR به كار برده مي شوند. كاربرد يك ولتاژ منفي در يك گيت در مدت زمان خاموش بودن دستگاه كمك مي كند. به تخليه كردن بار الكتريكي ذخيره شده در دستگاه و هم چنين به مكانيزم احياء و بازيافت نيز كمك مي كند. اين امر كاهش مدت زمان خاموش شدن را به وسيله يك فاكتور مهم تا حدود ۲ برابر دستگاه هاي معمولي و سنتي تحت تاثير قرار مي دهد.

ترانزيستورهاي برقي (موتوري هيدروليكي)
ترانزيستورها موتوري در كاربردهايي از ۱، ۲ گرفته تا چندين هزار كيلووات استفاده مي شوند و فركانس ها را تا حدود ۱۰KHz تغيير مي دهند. ترانزيستورهاي موتوري به كار برده شده در كاربردهاي تبديل جريان برق عمدتاً از انواع npn مي باشند. اين ترانزيستورها با ذخيره جريان اصلي كافي روشن مي شوند و اين محرك پايه بايد در طول دوره هدايت جريان آن كاملا حفظ شود. با جابجايي و انتقال محرك پايه و منفي كردن ولتاژ پايه اين ترانزيستور خاموش مي شود. ولتاژ شجاع دستگاه معمولاً ۵/۰ تا ۵/۲ ولت مي باشد. و زماني كه جريان افزايش

مي يابد بالا مي رود. نتيجتاً خسارات و اتلاف نيرو در زمان روشن بودن دستگاه بيشتر از برقرار بودن جريان افزايش مي يابد. خسارات و اتلاف حالت خاموش بودن ترانزيستور بسيار كمتر از اتلاف انرژي و خسارات در حالت روشن بودن دستگاه مي باشد. زيرا جريان نشت دستگاه بر طبق تعداد كمي از ميلي آمپرهايي مي باشد. بعلت زمان هاي انتقال نسبتاً زياد تر، اتلاف و خساره انتقال جريان به طور چشمگيري با تغيير دادن فركانس افزايش مي يابد. ترانزيستورهاي موتوري تنها مي توانند ولتاژهاي پيشين را حذف و متوقف كنند. ميزان سرعت و برآورد ولتاژ بالاي بالاي بالعكس اين دستگاه هاي كمتر از ۵ تا ۱۰ ولت مي باشد.
ترانزيستورهاي موتوري توانايي مقاوم را ندارند. به بياني ديگر آنها تنها قادر به حذف بسيار اندك انرژي قبل از خراب شدن و از كار افتادن هستند.

در نتيجه نمي توان با فيزوهاي هادي از آنها محافظت كرد. و بنابراين يك روش محافظتي الكترونيكي بايد مورد استفاده قرا رگيرد.
براي حذف كردن شرايط جريان اصلي ساختار (تركيب) هاي دارلينگتون معمولا مورد استفاده قرار مي گيرند. و آنها اغلب در بسته هاي جدا و يا يكپارچه و عظيم قابل دسترسي هستند. ساختار دارلينگتون اصلي به طور شماتيك در نمودار ۳۰٫۴۰ نشان داده شده است. تركيب دارلينگتون مزيت خاصي را در اختيار قرار مي ده.د كه به طور قابل ملاحظه اي مي تواند جرياني كه به وسيله ترانزيستور براي يك محرك پايه داده شد. تغيير داده و افزايش دهد. براي دارلينگتون معمولا بيشتر از چيزي است كه از يك ترانزيستور منفرد با جريان مشابه با افزايش ذكر شده در اتلاف انرژي در حالت روشن بودن دستگاه مي باشد. در طول تغيير جريان هم كنشگر دو بخش نيم رساناي جمع كننده جريان بالعكس ممكن است تاثيرات شكسته شدن نقاط داغ را نشانا دهد كه با نقاط عمليات امن جريان عكس و نقاط عملياتي امن نيروي محرك ووردي پيشين (FBSOA) مشخص شده است. دستگاه هاي جديد با عدم هندسه پايه الكترون نشان در هم جفت شده و ديجيت شده، باعث توزيع و پخش جريان واحدتر مي شوند. و در نتيجه باعث بهبود و پيشرفت تاثيرات شكستن ثانيه ها مي شوند. معمولا در يك شبكه كمكي تغيير دهنده خوب طراحي شده عملكرد دستگه را در SOAS ها به خوبي محدود مي كند.
MOSFET هاي موتوري (برقي يا هيدروليكي)
MOSFET هاي برقي توسط سازنده ها و توليد كننده هاي مختفي در هندسه داخلي در معرض فروش قرار داده شده اند. (با اسمهاي متفاوتي همچون مگاموسي، TMOS, SIPMOS, HEXFET). ويژگي هاي بي نظير و فوق العاده آنها موجب جذاب بود بالقوه آنها براي كاربردهاي انتقال و باز و بسته كردن جريان الكتريسيته است. لزوماً برخلاف ترانزيستورهاي دوقطبي دستگاه هايي گرداننده و محرك ولتاژ هستند تا دانشگر جريان برق.
محل ورودي يا خروجي يك MOSEFT به طور الكتريكي با يك لايه اي از اكسيد سيليكون از منبع جدا شده است. گيت تنها موجب يك جريان فراريزش يك دقيقه اي در ترتيب و شكل نانوآمپر مي شود. بنابراين مدا كشش دانشگر گيت ساده بوده و ميزان اتلاف انرژي و برق در مدار كنترل گيت تقريباً ناچيز و بي اهميت مي باشد. اگرچه در حالت ثابت بودن گيت عملاً موجب هيچ نوع جرياني نمي شود. و اين موضوع خيلي تحت شرايط گذرا و موقتي نمي باشد. برق پذيري گيت به منبع و گيت به زهكشي بايد باردار شده و به طور مناسب و با دقت به منظور دستيابي به سرعت انتقال و باز و بسته كردن دلخواه بي بار شود. و مدار محرك يا دانشگر نيز بايد از يك آمپدانس خروجي نسبتاً پاييني براي ذخيره باردار دشارژ كردن لازم و تخليه بار الكتريكي جريان ها برخوردار باشد. شكل مدار يك MOSEFT برقي در نمودار ۳۰٫۵ نمايش داده شده است.

MOSEFT هاي برقي اكثراً دستگاه هاي رسانگري هستند و زمان ذخيره اي براي حداقل رسانگري در آنها وجود ندارد.
نتيجتاً و به طور استثنايي داراي زمان هاي صعود و نزول سريعي هستند. زماني كه روشن مي شون حقيقتاً دستگاه هاي مقاومي هستند در حالي كه ترانزيستورهاي دو قطبي ثابت كمتري را در دامنه عملكردي معمولي و نرمال از خود نشان مي دهند. اتلاف انرژي در MOSEFT ها برابر است با و در دو قطبي ها برابر است با . بنابراين در جريان هاي پايين تر يك MOSEFT برقي ممكن است داراي اتلاف و خسارت رسانش برق كمتري نسبت به يك دستگاه دو قطبي مشابه باشد اما در جريان هاي بالاتر، اتلاف و خسارت رسانش ممكن است

نسبت به قطبي ها بالاتر رود. همچنين با افزايش دما، بالاتر رفته و افزايش مي يابد. يكي از ويژگي هاي مهم يك MOSEFT عدم حضور اثر ذخرابي ثانويه و بعدي كه در ترانزيستور هاي دوقطبي وجود دارد و اتفاق مي افتد مي باشد. در نتيجه داراي يك عملكرد و كارايي انتقال شديداً نيرومندي مي باشد. در MOSEFT ها، ROS(on) با افزايش دما افزايش مي يابد در نتيه جريان خود به خود از نقاط داغ منحرف مي شوند. هم كنشگر دو بخش رساناي تخليه دستگاه به شكل يك ديود غير موازي بين منبع و تخليه جريان ظاهر مي شود. بنابراين

MOSEFT موقتي موجب حمايت ولتاژ در مسيرهاي بالعكس نمي شود. اگرچه اين ديود برعكس تقريباً سريع مي باشد. در مقايسه با MOSEFT بسيار آهسته و كم سرعت مي باشد. دستگا هاي اخير از زمان احياء و ريكاوري ديود بسيار پاييني تا حدود ۱۰۰۰ns برخوردارند. از آنجائي كه MOSEFT را نمي توان به وسيله فيوزها محافظت كرد روش محافظتي الكترونيكي خاصي بايد در نظر گرفته شود.