Tehoelektroniikka

Tehoelektroniikka on elektroniikan osa-alue, joka käsittelee suuritehoisten virtapiirien ohjausta ja säätöä elektroniikan komponenttien avulla. Sähkötekniikan kaksi keskeistä ongelmaa ovat olleet tasasähkön jännitteen ja vaihtosähkön taajuuden muuttaminen, joihin tehoelektroniikka tarjoaa ratkaisuja. Tehoelektroniikan piirit perustuvat puolijohdekomponenttien käyttämiseen kytkimenä. Moderni tehoelektroniikka käyttää puolijohdekytkimiä tehon käsittelyyn ja mikroelektroniikkaa tehoelektroniikan ohjaukseen. Tehoelektroniikka on saavuttanut tärkeän aseman sähkötehon muokkauksessa. Tehoelektroniikkaa käytetään laajalti kotitalouskoneissa, teollisuuskäytöissä ja sähkönjakelussa.

Tehoelektroniikan komponentit

Tehodiodit

Diodeilla on tärkeä rooli tehoelektroniikassa, sillä niillä voidaan estää virran kulku ei-toivottuun suuntaan. Tärkeimmät diodin ominaisuudet ovat, että estosuunnassa diodin läpi ei pääsisi vuotamaan ollenkaan virtaa, päästösuunnassa diodin liitosten yli oleva jännite olisi nolla, eli siinä ei syntyisi tehohäviöitä, ja diodin pitäisi pystyä reagoimaan virran muutokseen mahdollisimman nopeasti eli siirtyä estokaistalta päästökaistalle tai päästökaistalta estokaistalle heti virran suunnan muututtua. Kaikkia näitä ominaisuuksia ei voida optimoida parhaaksi mahdolliseksi, vaan eri vaatimusten välillä on tehtävä kompromisseja. Tämän takia diodityypin valinta tehdään sovelluskohtaisesti, millä pyritään optimoimaan haluttuja ominaisuuksia sovellukselle vähemmän tärkeiden ominaisuuksien kustannuksella. Tehodiodeiksi luokitellaan esimerkiksi PIN-diodit ja Schottky-diodit.

PIN-diodeilla on suuri estosuunnan jännitekestävyys, joka tarkoittaa sitä, että estosuunnassa sen vuotovirta on erittäin pieni. PIN-diodien jännitekestävyys perustuu n- ja p alueiden väliin lisättyyn intrinsinkkisestä (seostamattomasta) piistä muodostuvaan keskialueeseen. Tämä on suurin ero perinteiseen PN-diodiin. PIN-diodiin lisätyn välialueen takia komponentissa tapahtuu enemmän häviöitä, koska se kasvattaa diodin kynnysjännitettä lisäämällä sen resistanssia. Toinen ero perinteiseen PN-diodiin on se, että virran muuttuessa nopeasti nollaan diodin suuri liitosalue aiheuttaa suhteellisen suuren takavirran, koska se sisältää edelleen paljon varauksenkuljettajia, jonka takia diodi ei mene välittömästi estotilaan. PIN-diodit jaotellaan vielä erikseen hitaisiin ja nopeisiin ryhmiin riippuen takavirran kestoajasta.

Schottkyn diodi muodostuu puolijohteen ja metallin rajapinnasta. Tämän diodityypin etuina ovat nopea reagointiaika, kun virta tippuu nollaan, ja pieni kynnysjännite (eli pienet häviöt). Huonona puolena taas on huono jännitekestävyys, joka tämän tyyppisissä diodeissa parhaimmillaankin jää noin 100 V:iin. Tätä diodityyppiä käytetään yleisesti hakkuriteholähteissä.

Tehotransistorit

Teho-MOSFET:tejä (metal-oxide-semiconductor-field-effect transistor) käytetään sovelluksissa, joissa halutaan suuri kytkentänopeus pienillä käyttöjännitteillä. Teho-MOSFET:tien etuihin kuuluu mm se, että niitä voidaan ohjata suoraan mikropiireillä matalilla taajuuksilla, ja niiden valmistaminen on halpaa. MOSFET:tien käyttöä suurilla (MHz) taajuuksilla haittaa kapasitanssien varaustarve. Teho-MOSFET:tejä käytetään yleisesti kytkiminä teholähteissä ja moottoriohjaimissa.

IGBT transistorit (Insulated Gate Bipolar-Transistor) voidaan luokitella PT eli läpilyöviin (engl. punch-through) ja NPT eli ei-läpilyöviin rakenteisiin (non-punch-through). Näistä PT-tyyppisen transistorin etuna on parempi kompromissi päästösuuntaisen jännitehäviön ja poiskytkentä ajan välillä. NPT tyyppisessä IGBT:ssä taas on parempi oikosulkukestävyys, mutta sen päästösuuntainen jännitehäviö on suurempi. IGBT transistorin etuna on, että sen kytkentäaikoja voidaan säätää muuttamalla tulosignaalin muotoa. Tämän ansiosta IGBT ei tarvitse suojapiirejä ja niitä voidaan kytkeä rinnakkain helposti. IGBT tyyppisiä transistoreja käytetään yleisesti taajuusmuuttajien vaihtosuuntaus piireissä kytkinkomponentteina.

Tyristori

Tyristori on nelikerroksinen bipolaarinen puolijohdekomponentti, joka muistuttaa hieman diodia. Tyristorissa on kolme terminaalia: anodi, katodi ja hila. Tyristori syttyy hilalle tuotavalla hilalta katodille kulkevalla pulssilla ja sammuu anodivirran laskiessa hetkeksi nollaan. Tyristoreita käytetään suurivirtaisissa ja suurijännitteisissä sovelluskohteissa, esimerkiksi teollisuuden tasavirtamoottorikäytöissä tasasuuntaajina, säädettävissä loistehon kompensaattoreissa sekä valonhimmentimissä.

Tehoelektroniikan sovellukset

• Tasasuuntaaja
• Vaihtosuuntaaja
• Taajuusmuuttaja

Tehoelektroniikka sähkömoottorikäytöissä

Tehoelektroniikkaa käytetään sähkömoottorin pyörimisnopeuden säädössä. Puolijohteilla toteutetulla vaihtosuuntaajalla syötetty tasasähkömoottori on pitkään ollut eniten käytetty moottori sovelluksissa, joissa tarvitaan nopeaa ja tarkkaa pyörimisnopeuden säätöä. Vaihtosähkön taajuuden ja jännitteen muuttaminen puolijohdesuuntaajan avulla on mahdollistanut vaihtosähkömoottorien käyttämisen myös pyörimisnopeuden säätöä vaativissa tehtävissä.

Lähteet

• Aura, Tonteri: Sähkökoneet ja tehoelektroniikan perusteet. Helsinki: WSOY, 1996. ISBN 951-0-20167-7.
• Pyrhönen, Huppunen, Kuisma, Laurila: Tehoelektroniikan komponentit. Opetusmoniste. Lappeenranta: Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, 2011. UDK 621.314.