Upload
jethro
View
147
Download
10
Embed Size (px)
DESCRIPTION
PRAKTIKUM UČINSKE ELEKTRONIKA. Osnovne sklopke. Poluvodička sklopka Poluvodički ventil Pregled vrsta ventila Modeli poluvodičkih ventila Računanje gubitaka poluvodičkih ventila. Ak. god. 2012/2013. Zagreb, 13. 03. 2013. Idealna elektronička sklopka. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU
Osnovne sklopke
Ak. god. 2012/2013 Zagreb, 13. 03. 2013.
PRAKTIKUM UČINSKE ELEKTRONIKA
Poluvodička sklopkaPoluvodički ventilPregled vrsta ventilaModeli poluvodičkih ventilaRačunanje gubitaka poluvodičkih ventila
Idealna elektronička sklopka
2
Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička tj. poluvodička sklopka. Jasno je da su inženjeri nastojali razviti poluvodičku sklopku u svemu jednaku idealnoj mehaničkoj sklopci.
Idealna mehanička sklopka:
- sklopka zatvorena: u(t) = 0
- sklopka otvorena: i(t) = 0
- gubici: p(t) = u(t)i(t)
- trenutno uklapa i isklapa
Poluvodička sklopka - poluvodički ventil
3
Poluvodička sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od:
− jednog ili više poluvodičkih ventila
− zaštite od prenapona i prekostruja
− pobudnog (upravljačkog) stupnja
− rashladnog tijela
Zaštita od prekostruje – prigušnica induktiviteta L
Zaštita od prenapona – RC član
Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje (sklapanje). Samostalno nije operativna.
Primjer poluvodičke sklopke i poluvodičkog ventila
4
poluvodička sklopka - tiristorska sklopka
poluvodički ventil - tiristor
Poluvodički ventil
5
Poluvodički ventil je složena struktura unutar monokristala silicija. Primjerice, IGBT u jednom smjeru može držati napon i uklapati i isklapati struju, a u drugom smjeru eventualno može držati napon (samo neke izvedbe) i ne može voditi struju.
Jedan od simbola IGBT-a Struktura IGBT-a
Gubitci poluvodičkih ventila
6
Svaki poluvodički ventil ima gubitke:
- gubitke uklapanja
- gubitke isklapanja
- gubitke vođenja
Tijekom uklapanja tranzistora, na tranzistoru istodobno postoji napon i teče znatna struja.
Umnožak napona i struje daje vremenski tijek gubitaka.
Sklopni gubici ograničavaju rad pretvarača na višim frekvencijama.
7
Naponsko-strujno naprezanje diode tijekom isklapanja
Gubitci poluvodičkih ventila
Podjela poluvodičkih ventila
8
Osnovne vrste poluvodičkih ventila
9
Ne postoji poluvodički ventil koji ima sva svojstva idealne mehaničke sklopke.
Gdje se upotrebljavaju poluvodički ventili?
10
Vuča
Elektromotorni pogoni
Napajanje
Neprekinuto napajanje
Istosmjerni veleprijenosi
Kompenzatori
Elektrolize
Indukcijsko zagrijavanje
Visokofrekvencijsko zavarivanje
Radna područja poluvodičkih sklopki
11
Dioda
12
• neupravljiva, jednokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K)
• preuzima negativni (zaporni) napon u stanju nevođenja
Idealna karakteristikaIdealizirana karakteristika
Uth – napon praga (1 – 1,5 V)Rd – dinamički otpor (m)
Tiristor
13
• poluupravljiva, uklopiva, dvokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K)
• preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja
• uklapa pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi G (geitu) pod uvjetom da se nalazi u stanju blokiranja
• isklapa prolazom struje kroz nulu
Idealna karakteristikaIdealizirana karakteristika
Tiristor – vrijeme oporavljanja
14
Već na razini osnovne analize sklopova, treba u model tiristora uvesti vrijeme oporavljanja.
Vrijeme oporavljanja je fizikalna karakteristika komponente. Vrijeme odmaranja je karakteristika sklopa. Vrijeme odmaranja treba biti jednako ili veće od vremena oporavljanja. U protivnom tiristor može nekontrolirano provesti.
trr vrijeme oporavljanjatq vrijeme odmaranja
Geitom isklopivi tiristor – GTO (engl. gate turn off thyristor)
15
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K)
• preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja
• uklapa dovođenjem pozitivnog impulsa na upravljačku elektrodu (geit) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja
• isklapa dovođenjem negativnog impulsa na upravljačku elektrodu (geit)
Idealna karakteristikaIdealizirana karakteristika
Bipolarni tranzistor – BJT (engl. bipolar junction transistor)
16
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom smjeru
• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja
• uklapa pomoću pozitivnog strujnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (bazi), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
Idealna karakteristikaIdealizirana karakteristika
Bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom – IGBT (engl. insulated gate bipolar transistor)
17
• upravljiva, uklopiva i isklopiva jednokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom smjeru
• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, samo neki tipovi IGBT-a mogu preuzeti negativni (zaporni) napon
• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
Idealna karakteristikaIdealizirana karakteristika
MOS tranzistor s učinkom polja – MOSFET (engl. metal oxide semiconductor field effect transistor)
18
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka
• vodi struju u dva smjeru (u jednom FET, a u drugom ugrađena dioda)
• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja
• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
Idealna karakteristikaIdealizirana karakteristika
Hibridna sklopka- strujno dvosmjerna
19
Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u) može se dodati povratna dioda.
Ukoliko dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET-a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće:
Primjer upotrebe strujno dvosmjerne sklopke
20
Primjer upotrebe dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke kod trofaznog izmjenjivača s naponskim ulazom.
Hibridna sklopka- naponski bipolarna
21
Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u i MOSFET-u) može se u seriju dodati dioda koja preuzima zaporni napon kojeg tranzistor ne bi mogao preuzeti.
Primjer upotrebe naponski bipolarne sklopke
22
Primjer upotrebe dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke kod trofaznog izmjenjivača sa strujnim ulazom.
Četverokvadrantna sklopka
23
Idealni nadomjestak za mehaničku sklopku je četverokvadrantna sklopka, koja se na različite načine može ostvariti kombinacijom poluvodičkih ventila
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, četverokvadrantna sklopka,
• vodi struju u dva smjeru i preuzima napon u dva smjera,
• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi, isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
Primjer upotrebe četverokvadrantne sklopke – matrični pretvarač
24
Svi naponi i struje su izmjenične veličine, sklopke trebaju biti četverokvadrantne. Potrebno je 9 takvih sklopki.
Matrični pretvarač
Računanje gubitaka poluvodičkih ventila
Gubitci poluivodičkih ventila sastoje se od gubitaka vođenja PON i sklopnih gubitaka PSW. Gubitke blokiranja i zapiranja za sada možemo zanemariti.
Sklopni se gubitci sastoje od gubitaka uklapanja PSW on i gubitaka isklapanja PSW off . U načelu su sklopni gubici proporcionalni sklopnoj frekvenciji fS i energiji sklapanja (uklapanja i isklapanja).
Za točan izračun sklopnih gubitaka potrebno je poznavati vremenski tijek snage tijekom sklapanja:
p(t) = u(t)i(t),
no postoje i aproksimativne formule za karakteristične profile snage tijekom sklapanja.
Računanje gubitaka poluvodičkih ventila
Ukoliko se računa preko ukupne energije gubitaka u jednoj karakterističnoj periodi za valne oblike na gornjoj slici dobije se:
swoffsswcondsswonsT ssws TETETEdpTEsw
,,,
Računanje gubitaka poluvodičkih ventila
2
2
,
,
,
offoDC
t
sst sswoffs
condoon
t
sst sswconds
onoDC
t
sst sswons
tIUdiudpTE
tIUdiudpTE
tIUdiudpTE
offoff
condcond
onon
Računanje gubitaka poluvodičkih ventila
Dobiju se tri komponente srednje snage na poluvodičkoj sklopci.
swoffoDC
swswoffssw
swoffsswoffs
swcondoonswswcondssw
swcondsswconds
swonoDC
swswonssw
swonsswons
swoffsswcondsswonssw
swssws
swsw
ftIU
fTET
TETP
ftIUfTET
TETP
ftIU
fTET
TETP
TPTPTPT
TETP
Tf
2
2
1
,,
,
,,
,
,,
,
,,,
Računanje gubitaka poluvodičkih ventila
Energije gubitaka mogu se približno izračunati i pomoću kataloških podataka.
2
2
2
2
,,,,
,,,,
,
,
offnomonomDC
t
sst sswnomoffs
onnomonomDC
t
sst sswnomons
offoDC
t
sst sswoffs
onoDC
t
sst sswons
tIUdiudpTE
tIUdiudpTE
tIUdiudpTE
tIUdiudpTE
offoff
onon
offoff
onon
Računanje gubitaka poluvodičkih ventila
nomonomDC
oDCswnomoffsswoffs
offnomonomDC
offoDC
swnomoffs
swoffs
nomonomDC
oDCswnomonsswons
onnomonomDC
onoDC
swnomons
swons
IU
IUTETE
tIU
tIU
TE
TE
IU
IUTETE
tIU
tIU
TE
TE
,,,,,
,,,,
,
,,,,,
,,,,
,
2
2
2
2
Računanje gubitaka poluvodičkih ventila
Sklopni gubitci ovise o brzini uklapanja i isklapanja, te o radnoj frekvenciji pretvarača. Naravno, ovi izrazi vrijede za profil strujno-naponskih odnosa tijekom sklapanja prikazan na početnoj slici.
2,,,offon
swoDCswoffsswonsswsws
ttfIUTPTPTP
Potrebno je još prikazati pojednostavnjeni proračun gubitaka vođenja za osnovne tipove učinskih poluvodičkih sklopki. Proračun se temelji na statičkoj ui karakteristici poluvodičkog ventila.
Slika prikazuje karakteristiku koja se može aproksimirati pomoću napona koljena i dinamičkog otpora.
Računanje gubitaka poluvodičkih ventila
Općeniti izraz za gubitke sklopke: titutp sss
Ukoliko se primijeni na prije prikazanu ui karakteristiku, slijedi:
tiRtitutitiRtutitutp ssssossssosss2
Srednja vrijednost gubitaka vođenja u jednoj sklopnoj periodi TSW je:
2,,
2
211
rmsssaversso
T sw
ss
T sw
sso
T
ssssoswT
ssw
iRiudT
iRd
T
iu
diRiuT
dpT
P
swsw
swsw
Dobije se poznati izraz u kojem se pojavljuje srednja i efektivna vrijednost struje ventila.
Računanje gubitaka poluvodičkih ventila
Budući da različiti tipovi učinskih poluvodičkih ventila imaju različite ui karakteristike, slijede izrazi za srednju vrijednost gubitaka vođenja.
2,, rmsssaversso iRiu
2,rmsss iR
aversso iu ,
Za DIODU i TIRISTOR:
Za MOSFET (djeluje samo RDS(on)):
Za BJT i IGBT (djeluje samo UCES):