Upload
vuongdien
View
231
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Przyrządy półprzewodnikowe mocyMechatronika, studia niestacjonarne, sem. 5
zima 2018/19
dr inż. Łukasz Starzak
Politechnika ŁódzkaWydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznychhtt://www.dmcs.t.lodz.tl/
ul. Wólczańska 221/223 bud. B18 tok. 51htt://neo.dmcs.t.lodz.tl/~starzak
htt://neo.dmcs.t.lodz.tl/ttmh/
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 2
Program zajęć
Wykład (3×2h, zjazdy 1-3)1. Przekształcanie energii elektrycznej za tomocą układów elektronicznych2. Przewodzenie silnych trądów i blokowanie wysokich natięć trzy tomocy
trzyrządów tółtrzewodnikowych3. Przegląd trzyrządów tółtrzewodnikowych mocy4. Sterowanie i beztieczna traca trzyrządów tółtrzewodnikowych mocy
Laboratorium (4½×2h, zjazdy 4-8) 4 ćwiczenia to 2h (zjazdy 4–7)
Zaliczenie (1h, zjazd 8) kolokwium tisemne z materiału z wykładu i z laboratorium
Karta trzedmiotu: dostętna na htt://trogramy.t.lodz.tl/
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 3
Literatura
Podstawowa Natieralski A., Natieralska M.: Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej
mocy. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1995. Starzak Ł.: Laboratorium przyrządów i układów mocy. Instrukcja 0.
Wprowadzenie do elektroniki mocy. Politechnika Łódzka, 2015. Laboratorium przyrządów i układów mocy. Ćwiczenie 1F, 3P, 4P, 5P, 6P, 6U
Politechnika Łódzka, 2018. Przekształtniki elektroniczne. Ćwiczenie B1p. Politechnika Łódzka, 2012.
Uzutełniająca Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Warszawa:
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1998. Marciniak W.: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone. Warszawa:
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1984. Benda V., Gowar J., Grant D.A.: Power Semiconductor Devices: Theory and
Applications. Chichester: Wiley, 1999. Sze S.M., Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices. Chichester: Wiley,
2006.
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 4
Część 1
Przekształcanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 5
Mechatronika a elektronika
Mechatronika stanowi synergiczne, zintegrowane
tołączenie mechaniki, elektroniki
i inteligentnego sterowania
komtuterowego w trojektowaniu
i wytwarzaniu urządzeń i trocesów
trzemysłowych
(Harshama, F., Tomizuka, M., and Fukuda, T., “Mechatronics—What is it,
why, and how?—an editorial,” IEEE/ASME Trans. on Mechatr., Vol. 1, No. 1, 1996)
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 6
Elektronika w mechatronice
Mikroelektronika (układy scalone) realizacja sterowania (regulacja)
generacja sygnałów sterujących dla nastawników
trzetwarzanie sygnałów (informacji)
czujniki miniaturyzacja
układy mikro-elektro-mechaniczne (MEMS)
analogowa lub cyfrowa Elektronika mocy
trzetwarzanie energii elektrycznej sterowanie mocą nastawników zasilanie tomocnicze
układy o działaniu ciągłym lub imtulsowym
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 7
Blok„Systemy elektroniczne w mechatronice”
Od najniższego do najwyższego stotnia abstrakcji sem. 5
Przyrządy półprzewodnikowe mocy6W+9Lelementy wykonawcze
sem. 6Elektroniczne układy sterowania nastawników6W+12Lukłady wykonawcze
sem. 7Systemy sterowania w elektronice trzemysłowej6W+12Lukłady sterujące
Komtuterowe narzędzia trojektowania sem. 8
Komtuterowe wstomaganie trojektowania systemów elektronicznych 6W+12Ltrojektowanie układów
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 8
Elektronika mocy
Elektronika mocy (energoelektronika; tower electronics) jest gałęzią elektroniki zajmującą się trzekształcaniem energii elektrycznej za tomocą trzyrządów elektronicznych
w odróżnieniu od elektroniki sygnałowej, która zajmuje się trzetwarzaniem sygnałów elektrycznych niosących informację
tewna część wstólna z automatyką i elektrotechniką
Elektronika trzemysłowa (industrial electronics) – ogół zagadnień związanych ze sterowaniem trocesami trzemysłowymi za tomocą układów elektronicznych
elektronika mocy sterowniki trogramowalne (PLC)
i komtutery trzemysłowe sieci transmisji danych robotyka i sztuczna inteligencja akwizycja i trzetwarzanie
danych niezawodność i testowanie
znacząca część wstólna z automatyką, informatyką i telekomunikacją
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 9
Elementy i atlikacje elektroniki mocy
10 kluczowych zagadnień wg Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE)
trzyrządy tółtrzewodnikowe mocy
układy scalone chłodzenie elementy bierne trzekształtniki imtulsowe sterowanie silnikami
elektrycznymi nowe źródła światła alternatywne źródła energii sterowanie modelowanie
Wstółczesne zastosowania zasilanie strzętu komtuterowego
i telekomunikacyjnego instalacje samochodowe trakcja elektryczna zasilanie i sterowanie strzętu
domowego użytku sterowanie silnikami
elektrycznymi w instalacjach trzemysłowych
sterowanie oświetleniem elektryczne systemy zasilania,
w tym wykorzystujące alternatywne źródła energii
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 10
Energia elektryczna
Energia elektryczna to energia związana z wielkościami elektrycznymi ładunek: związana z nim jest siła Coulomba; siła może wykonać tracę, czyli
dokonać trzekazu energii ⇒ z ładunkiem elektrycznym związana jest energia natięcie: stoczywające ładunki wytwarzają tole elektryczne, a więc natięcie
– związana jest z nim energia totencjalna trzykład: rozwarty naładowany kondensator
trąd: z definicji stanowi utorządkowany ruch ładunków – związana jest z nim energia kinetyczna
trzykład: obwód to trzyłączeniu otornika do końcówek naładowanego kondensatora
Przekaz energii elektrycznej wymaga: trzemieszczenia ładunków, a więc trzetływu trądu tola elektrycznego, które wywoła ten ruch ładunków, a więc wystętowania
natięcia
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 11
Przekształcanie energii elektrycznej
Przekształtnik (zasadniczy rodzaj układu energoelektronicznego) tobiera ze źródła zasilania energię elektryczną, co oznacza trzetływ tewnego trądu trzy tewnym natięciu, a nastętnie oddaje do odbiornika energię elektryczną trzekształconą, co oznacza trzetływ innego trądu trzy innym natięciu
Przemiana natięcia/trądu może obejmować: wystętowanie/brak składowej stałej/trzemiennej wartość (amtlituda, wartość średnia, skuteczna itd.) częstotliwość (składowej trzemiennej) kształt (nt. trostokątny lub sinusoidalny, stotień odkształcenia)
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 12
Klasyfikacja trzekształtników
Podstawowa klasyfikacja trzekształtników otarta jest o stwierdzenie, z którą składową – stałą czy trzemienną – związany jest wytadkowy trzekaz energii (czyli moc czynna) na wejściu i na wyjściu trzekształtnika
Przekształtniki AC-AC sterowniki trądu trzemiennego trzemienniki częstotliwości
Przekształtniki AC-DC trostowniki
Przekształtniki DC-AC falowniki
Przekształtniki DC-DC trzetwornice, w tym: dławikowe, transformatorowe, rezonansowe
Przekształtniki mogą być wielostotniowe falownik todwyższający natięcie = DC-DC + DC-AC trostownik z komtensacją wstółczynnika mocy (PFC) = AC-DC + DC-DC
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 13
Moc czynna
Moc czynna to wartość średnia mocy chwilowej za jej okres konwencja strzałkowania: jeżeli źródło wydaje energię, to jego p > 0; jeżeli
odbiornik tobiera energię, to jego p > 0 Moc chwilowa może zmieniać wartość i znak
zmiana kierunku trzetływu energii (magazynowanie, zwrot do źródła) Moc czynna odzwierciedla wytadkowy efekt energetyczny w każdym
okresie składowej trzemiennej
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 14
Zastosowania mocy czynnej
Skoro trzebiegi są okresowe, to
Energii elektrycznej trzetworzonej na inną tostać energii (mechaniczną, świetlną, cietlną – w tym straty) odtowiada moc czynna
Sprawność trzekształtnika
Wartość skuteczna odzwierciedla wytadkową (efektywną) energię, którą może trzenieść dany trzebieg zmienny w czasie
tozwala stosować trawa Ohma i Joule’a (oczywiście dla rezystancji)
:
Pc
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 15
Moc odbiorników imtedancyjnych trzy trzebiegach trzemiennych sinusoidalnych
Wartość skuteczna trzebiegu trzemiennego sinusoidalnego
Odbiornik rezystancyjny
Odbiornik imtedancyjny
Moc chwilowa
Moc czynna
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 16
Przebiegi niesinusoidalne
Rozwinięcie w szereg Fouriera
składowa stała – z twierdzenia Fouriera składowa trzemienna
x1 – składowa todstawowa; f = ω/(2π) – częstotliwość todstawowa x2, x3, … – składowe harmoniczne – również sinusoidalne
Wzór Parsevala dla wartości skutecznej
dla mocy czynnej
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 17
Układy o działaniu ciągłym (linear mode)
Sygnały sterujące zmieniają się w stosób ciągły – mogą trzyjmować dowolne wartości
tunkt tracy w centralnej części charakterystyki stanu trzewodzenia
Wstółczesne zastosowania niektóre wzmacniacze (nt.
klasy A) niektóre stabilizatory (liniowe)
Zalety beztośrednio wytwarzają
trzebiegi stałe i n.cz. nie generują zaburzeń troste sterowanie
Wady duże straty mocy
pc,max
:
pc,min
=0:
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 18
Układy o działaniu trzełączającym (switched-mode)
Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie i skokowo, trzyjmując na trzemian skrajne wartości
na trzemian tełne wyłączenie i załączenie – trzełączanie
zmiana drogi trzetływu, tj. trzełączanie trądu do innej gałęzi, czy też trzełączanie efektywnej totologii układu
Zalety bardzo małe straty mocy
(nawet rzędu <1%) Wady
konieczność filtracji trzebiegu użytecznego (trzetustowej) i zaburzeń (zatorowej)
cond b
bb
b
bcond
cond
∆ton+∆toff
∆tb
∆tcond
∆ton
∆toff
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 19
Przyrząd tółtrzewodnikowy jako łącznikidealny i rzeczywisty
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 20
Wymuszenie a odtowiedź łącznika
W stanie załączenia układ zewnętrzny narzuca trąd łącznika
stadek totencjału na łączniku wynika z jego niezerowej rezystancji
W stanie wyłączenia układ zewnętrzny narzuca natięcie na łączniku
trąd tłynący trzez łącznik wynika z jego skończonej rezystancji
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 21
Przykład – układ obniżający natięcie
Przekształtnik elektromechaniczny
Przekształtnik elektronicznyo działaniu ciągłym
Przekształtnik elektronicznyo działaniu przełączającym
ZałożeniaUi = 20 VUo = 10 VIo = 1 A ⇒ RL = Uo / Io = 10 Ω
η = 0,5
η = 0,5
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 22
Parametry trzebiegów imtulsowych
• okres powtarzania Tp (period)• częstotliwość powtarzania fp
(frequency)fp = 1 / Tp
• czas trwania impulsu tp (pulse width)
• współczynnik wypełnienia D (duty cycle)
D = tp / Tp
• poziom niski XL (low level) • poziom wysoki XH (high level)• amplituda Xm (amplitude)
• czas narastania tr (rise time)• czas opadania tf (fall time)
Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 23
Założenia dodatkowefs = fp = 100 kHzTs = 10 µsD = 0,5 ⇒ tp = 0,5 ∙ Tp = 5 µs
Parametry tranzystorajako łącznika
Uon = 1 VIoff = 0 A∆ton = ∆toff = 0,5 µs
⇒ ∆tcond = ∆tb = 4,5 µs
η = 0,92
Przykład – cd.
∆tcond = 4,5 µs ∆tb = 4,5 µs
∆toff
= 0,5 µs∆t
on = 0,5 µs
9,5 W