Energoelektronika 

–  dział  nauki  zajmujący  się  przetwarzaniem  energii 

elektrycznej  o  danych  parametrach  w  energię  elektryczną  o  zadanych 
parametrach.  Energoelektronika  w  ogólności  obejmuje  analizę,  projektowanie, 
sterowanie  oraz  wytwarzanie  układów  przekształtnikowych  zbudowanych  na 
bazie elementów półprzewodnikowych mocy. 
 

 

******************************************************** 

ELEMENTY ENERGOELEKTRONICZNE  

ORAZ ICH WŁASNOŚCI 

(półprzewodnikowe przyrządy mocy, łączniki energoelektroniczne, zawory) 

 

Podział półprzewodnikowych elementów energoelektronicznych 

 

1.  Elementy niesterowane – diody krzemowe 
2.  Elementy sterowane: 

a.  elementy nie w pełni sterowane (tyrystory SCR). 
b.  elementy w pełni sterowane (tyrystory GTO, tranzystory IGBT, tranzystory 

MOSFET ). 

 
 
***************************************************************** 

Diody mocy 

 
Tylko diody krzemowe 
 

Dwa stany pracy: 
 

1)  zaporowy: u

D

  ≤  0  (i

D

  ≤  0), 

2)  przewodzenia: u

D

  > 0  (i

D

  > 0). 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

Rys. 2.2. Charakterystyka prądowo- napięciowa 

diody 

 

  U

D0

 ≈ 0,7 V 

Rys. 2.1. Symbol diody 

 
 

Zmiany stanu pracy diody: 
 

•  przejście  ze  stanu  zaporowego  do  przewodzenia  następuje  prawie  natychmiast  (z 

punktu widzenia potrzeb energoelektroniki), 

•  przejście ze stanu przewodzenia do zaporowego wymaga pewnego czasu, istotnego w 

układach pracujących z częstotliwościami powyżej kilku kHz. 

 
 

Rys. 2.3. Uproszczony przebieg prądu diody 

podczas przejścia ze stanu przewodzenia do 

zaporowego 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Diody zwykłe: t

wył

  > 1 µsec 

(prostowniki, regulatory prądu przemiennego, falowniki prądu) 
 
 
Diody szybkie: t

wył

  < 1 µsec 

(falowniki napięcia, układy impulsowe) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

***************************************************************** 

 

2

Tyrystor SCR 

(element nie w pełni sterowany) 

 
 
 
 
Trzy stany pracy: 

 

1.  zaporowy: u

T

  ≤  0  (i

T

  ≤  0), 

2.  blokowania: u

T

  >  0  oraz   0 <  i

T

  < i

H 

, 

3.  przewodzenia: i

T

  > i

H

 . 

 
gdzie: i

H

 – prąd podtrzymania tyrystora 

Rys. 2.4. Symbol tyrystora 

 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

U

T0

 ≈ 1,1 V

 
 
 

Rys. 2.5. Charakterystyka prądowo - napięciowa 

tyrystora 

 
 
 
 
Zmiany stanu pracy tyrystora: 
 

•  załączenie tyrystora wymaga przepływu w obwodzie bramka G – katoda K impulsu 

prądowego. Ten impuls ma trwać tak długo, aż prąd tyrystora narośnie powyżej prądu 
podtrzymania i

H

. 

•  wyłączenie  tyrystora  wymaga,  prąd  tyrystora  był  mniejszy  od  prądu  podtrzymania 

przez odpowiednio długi czas; czasy wyłączania tyrystora wynoszą kilkadziesiąt µsec, 
a dla tyrystorów najwyższych mocy wynoszą nawet 200 µsec, 

 
Tyrystor jest sterowany prądowo. 
 
Tyrystory charakteryzują się dużą przeciążalnością prądową  
(10-15) x I

N

 w czasie 10 msec 

 

 

3

 

Rys. 2.6. Uproszczone przebiegi napięcia na tyrystorze 

oraz prądu tyrystora  podczas procesu wyłaczania

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Parametry dynamiczne tyrystora: 
 

t

i

T

d

d

 

–

  krytyczna  stromość  narastania  prądu  tyrystora;  przekroczenie  krytycznej  stromości 

narastania  prądu  tyrystora  może  prowadzić  do  lokalnego  przegrzania  struktury 
półprzewodnikowej. 
 

t

u

T

d

d

 

–

  krytyczna  stromość  narastania  napięcia  blokowania  tyrystora;  przekroczenie 

krytycznej  stromości  narastania  napięcia  blokowania  tyrystora  może  prowadzić  do 
niekontrolowanego  załączenia  tyrystora  (wpływ  pasożytniczej  pojemności  między  anodą  a 
bramką tyrystora). 
  
 
Tyrystory zwykłe: (prostowniki, regulatory prądu przemiennego, falowniki prądu) 
 
 
Tyrystory szybkie: czasy wyłączania w zakresie 6 

– 

60 µsec  

(tyrystorowe falowniki napięcia, układy impulsowe) 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

4

Tyrystor dwukierunkowy TRIAK

 

(element w nie pełni sterowny) 

 

Rys. 2.7. Charakterystyka prądowo - 

napięciowa triaka

 

Połączenie przeciwsobne dwóch  
tyrystorów w jednej obudowie. 
 
Triak nie ma stanu zaporowego  
 
 
 
 
Zastosowanie: regulatory prądu 
przemiennego małej mocy 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

***************************************************************** 

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT) 

 
 

 

Rys. 2 8. Symbol tranzystora 

bipolarnego z izolowaną bramką 

(IGBT) 

Stany pracy IGBT 
 

•  przewodzenia: U

GE 

≈ +15 V, 

•  nieprzewodzenia: U

GE 

≈ –15 V, 

 
 
 
Podstawowe właściwości: 
 

•  sterowanie napięciowe, 

•  bramka izolowana od obwodu kolektor – emiter, 

•  krótkie czasy załączania oraz wyłączania, 
 

przeciętnie rzędu 0,5 – 1,5 µsec, 

•  napięcie kolektor – emiter U

CE

 w stanie przewodzenia 

 

wynosi przeciętnie 1,5 – 2,5 V, 

•  integralnie dołączona dioda zwrotna, 

•  częstotliwość pracy nawet do 50 kHz. 

 
Tranzystor  IGBT  w  sposób  ciągły  może  pracować  tylko  w  obszarze  nasycenia  lub  w 
obszarze odcięcia charakterystyk i

c

 = f(U

CE

).  

 
 

 

 

5

Podstawowy układ sterowania tranzystora IGBT: 
 
 

 

Rys. 2.9. Układ sterowania tranzystora IGBT

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tranzystory IGBT sterowane są sygnałem ciągłym. 
 
Charakteryzują się małą (w stosunku do tyrystorów) przeciążalnością prądową; 
2 x I

N

 w czasie 1 msec 

 

Ochrona tranzystorów IGBT przed przepięciami 

 
 

Rys. 2.10. Podstawowy układ 

ochrony przeciwprzepięciowej 

 

IGBT tranzystora IGBT

 

 

L

p

 – indukcyjność (pasożytnicza) linii 

zasilającej (indukcyjność rozłożona) 
 
L

0

,R

0

 – odbiornik, 

 
C

S

, D

S

, R

S

 – elementy układu 

zabezpieczenia przeciwprzepięciowego 
  

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ochrona tranzystorów IGBT przed przetężeniami i zwarciami

 

 
 

Ze względu na małą przeciążalność prądową tranzystory IGBT zabezpiecza się przed 

przetężeniami  tylko  na  drodze  elektronicznej.  Konieczna  jest  kontrola  prądu  tranzystora 
(poprzez  włączenie  dodatkowej  rezystancji  lub  kontrolując  napięcie  kolektor  –  emiter  w 
stanie    przewodzenia).  Po  wykryciu  przekroczenia  maksymalnej,  dopuszczalnej  wartości 
prądu tranzystor musi zostać wyłączony przez zmianę napięcia sterowania  U

GE

 w możliwie 

najkrótszym czasie.  

 

6