Tehoelektroniikka

Tehoelektroniikka on elektroniikan osa-alue, joka käsittelee suuritehoisten virtapiirien ohjausta ja säätöä elektroniikan komponenttien avulla. Sähkötekniikan keskeinen ongelma on ollut tasasähkön jännitteen ja vaihtosähkön taajuuden muuttaminen, johon 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.

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 jotain ominaisuuksia parannettaessa joitakin täytyy huonontaa. Tämän takia diodityypin valinta tehdään sovelluskohtaisesti, millä pyritään optimoimaan haluttuja ominaisuuksia muiden ei niin tärkeiden ominaisuuksien kustannuksella. Tehodiodeiksi luokitellaan esimerkiksi PIN-diodit ja Schottkyn diodit.
PIN-diodeilla on suuri estosuunnan jännitekestävyys, joka tarkoittaa sitä, että estosuunnassa sen vuotovirta on erittäin pieni. PIN-diodien jännitekestävyys perustuu siihen lisättyyn keskialueeseen(p- ja n-liitosalueiden välissä), joka on heikosti saostettua piitä. 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 ovat jaoteltu vielä erikseen hitaisiin ja nopeisiin ryhmiin riippuen takavirran kestoajasta.
Schottky-diodin pääosat ovat kaksi N-tyypin puolijohdetta, joista toinen on vahvasti ja toinen heikosti saostettu ja metallipinta, joka muodostaa toimintapinnan sen ja heikosti saostetun puolijohteen pinnan välille. Tämän diodityypin etuina ovat nopea reagointiaika, kun virta tippuu nollaan ja pieni kynnysjännite(eli pienet häviöt) ja haittoina taas huono jännitekestävyys, joka on parhaimmillaan tämän tyyppisissä diodeissa 100V. Tätä diodityyppiä käytetään yleisesti hakkuriteholähteissä.

Tehotransistorit

Teho-MOSFETtejä (metal-oxide-semiconductor-field-effect transistor) käytetään sovelluksissa, joissa halutaan suuri kytkentänopeus pienillä käyttöjännitteillä. Teho MOSFETtien etuihin kuuluu mm se että niitä voidaan ohjata suoraan IC-piireillä matalilla taajuuksilla ja niiden valmistaminen on halpaa. MOSFETtien käyttöä suurilla, noin MHz luokan taajuuksilla haittaa hilan kapasitanssien varaustarve. Teho-MOSFETtejä käytetään yleisesti teholähteissä ja moottori ohjaimissa kytkiminä.
IGBT transistorit (Insulated Gate Bipolar-Transistor) voidaan luokitella PT eli läpilyöviin (punch-through) ja NPT eli ei läpilyöviin rakenteisiin (non-punch-through). PT tyyppisen transistorin etuna on parempi kompromissi päästösuuntaisen jännitehäviön ja poiskytkentä ajan välillä. NPT tyyppisessä IGBT:ssä on parempi oikosulkukestävyys, mutta sen päästösuuntainen jännitehäviö on suurempi. IGBT transistorin etuna on, että sen kytkentä aikoja voidaan ohjata muuttamalla tulosignaalin muotoa. Tämän ansiosta IGBT ei tarvitse suojapiirejä ja se voidaan kytkeä rinnakkain helposti. IGBT tyyppisiä transistoreja käytetään yleisesti taajuusmuuttajien vaihtosuuntaus piireissä kytkinkomponentteina.

Tyristori

Tyristori on diodin kaltainen komponentti, jonka läpi virta voi kulkea vain yhteen suuntaan, mutta sen syttymis-, eli liipaisuhetki voidaan määrätä. Tyristorilla on kolme terminaalia: Anodi, katodi ja hila. Tyristori syttyy hilalle tuotavalla hilalta katodille kulkevalla pulssilla ja sammuu anodivirran laskiessa hetkeksi nollaan. Tyristoria käytetään suurivirtaisissa ja suurijännitteisissä sovelluskohteissa, esimerkiksi teollisuuden tasavirtamoottorikäytöissä tasasuuntaajana, säädettävinä loistehokompensaattoreina sekä valonhimmentiminä.

Tehoelektroniikka sähkömoottorikäytöissä

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