OSNOVNE TOPOLOGIJE PRETVARAA

SKLOPOVI ENERGETSKE ELEKTRONIKEEnergetska elektronika je grana elektronike koja se bavi povezivanjem elektrinih sustava meusobno razliitih karakteristika, a ovo povezivanje ostvaruje se pomou ureaja koji se nazivaju elektroniki energetski pretvarai.Sklopovi energetske elektronike se bave procesiranjem elektrine energije.Oni pretvaraju elektrinu energiju iz oblika kakav je dan izvorom u oblik kakav je potreban troilu.Osnovne karakteristike elektrinih sustava koje mijenjaju energetski pretvarai su: valni oblik napona ili struje, frekvencija i broj faza.Primjer: dio raunala koji se prikljuuje na izmjenini napon i pretvara ga u istosmjerni napon od 5 V koji je potreban logikim ipovima je sklop energetske elektronike ili krae energetski sklop.Energetski dio elektronikog energetskog pretvaraa u kojem se odvija proces pretvorbe naziva se pretvaraki sklop ili energetski sklop.Svaki energetski sklop ima neku osnovnu strukturu kojoj se dodaju druge komponente kao to su zatita od prenapona i filtri za potiskivanje elektromagnetskih smetnji.

Zahtjevi na energetski sklop su to veia) Stupanj djelovanjaP1 = djelatna snaga pojne mreeP2 = djelatna snaga troila

Naime, veliki je problem gubitak energije u energetskom sklopu koji se manifestira kao toplina koju je potrebno odvoditi iz sklopa. Da bi se ovaj gubitak energije sveo na minimum u sklopu se smiju koristiti samo reaktivne komponente kao to su prigunice (zavojnice), kondenzatori i transformatori te od disipitivnih komponenti poluvodiki ventili.

b) Stupanj djelovanja procesa pretvorbe2(f2) = djelatna snaga troila na eljenoj frekvenciji troila f2

c) Faktor snageS1 = prividna snaga pojne mree

Blok shema sustava energetske elektronike

Filtri na ulazu i izlazu energetskog sklopa odstranjuju vie harmonike nastale sklapanjem sklopki koji mogu ometati rad troila i ostale opreme.S obzirom na vrste sustava koje povezuju i smjer toka elektrine energije, elektroniki energetski pretvarai se dijele na:1. Ispravljae (ureaji koji povezuju izmjeninu pojnu mreu s istosmjernim troilima)2. Izmjenjivae (ureaji koji povezuju istosmjernu pojnu mreu s izmjeninim troilima)3. Izmjenine pretvarae (ureaji koji povezuju dvije izmjenine mree razliitih karakteristika)4. Istosmjerne pretvarae (ureaji koji povezuju dvije istosmjerne mree razliitih karakteristika)

ENERGETSKE POLUVODIKE SKLOPKE

Osnovna komponenta pretvarakog sklopa je poluvodika sklopka koja bi odgovarala idealnoj mehanikoj sklopci.Idealna mehanika sklopka: Sklopka zatvorena: u(t)=0 Sklopka otvorena: i(t)=0 Gubici: p(t)=u(t)i(t)=0 Trenutno uklapa i isklapa

Poluvodika sklopka ne smije biti u isto vrijeme izloena i vanjskom naponu i vanjskoj struji u tom sluaju zbog prevelikog zagrijavanja trenutno dolazi do proboja, tj. razaranja materijala.

Zato se kae da u energetici poluvodiki pretvarai rade u ON OFF reimu (sklopka ukljuena ili iskljuena).

Poluvodika sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od: jednog ili vie poluvodikih ventila zatite od prenapona i prevelikih struja pobudnog (upravljakog) stupnja rashladnog tijelaZatita od prevelike struje - prigunica induktiviteta LZatita od prenapona - RC lanPoluvodiki ventil je poluvodika komponenta za uklapanje i isklapanje struje. Samostalno nije operativan.Primjer poluvodike sklopke i poluvodikog ventila

Svaki poluvodiki ventil ima gubitke: Gubitke uklapanja Gubitke isklapanja Gubitke voenjaPodjela poluvodikih ventila

Neupravljivi (dioda): Djeluje kao nepovratni ventil jer vodi struju samo u jednom smjeru i nema upravljake elektrode a stoga ni mogunosti upravljanja)

Poluupravljivi (tiristor, triac): Pomou upravljake elektrode moe se ukljuiti u eljenom trenutku, ali je samostalna kontrola iskljuivanja nemogua.

Punoupravljivi (MOSFET, tranzistor, GTO tiristor i njihovi hibridi: IGBT, IGCT, MCT, GCT): Mogu se po elji ukljuiti i iskljuiti

Osnovne vrste poluvodikih ventila

Ne postoji poluvodiki ventil koji ima sva svojstva idealne mehanike sklopke.

Gdje se upotrebljavaju poluvodiki ventili?VuaElektromotorni pogoniNapajanjeNeprekinuto napajanjeIstosmjerni veleprijenosiKompenzatoriElektrolizeIndukcijsko zagrijavanjeVisokofrekvencijsko zavarivanje

RADNA PODRUJA POLUVODIKIH SKLOPKIPrimjer jednokvadratnog radnog podruja (idealna mehanika sklopka)

DIODAPonavljanje:Dva tipina poluvodika elementa su germanij Ge i silicij Si koji su 4-valentni elementi. Na apsolutnoj nuli (-273 C) ponaaju se kao savreni izolatori tj. nemaju niti jednog slobodnog nosioca naboja. Poveanjem temperature u istom poluvodiu nastaju parovi naboja slobodni elektron- upljina (upranjeno mjesto u atomu kojeg je napustio elektron, pridruuje joj se pozitivni naboj). Sam poluvodi je elektriki neutralan.Ako se istom poluvodiu dodaju 5-valentni elementi tzv. donori (polumetali:P fosfor, As arsen, Sb antimon), oni se sa svoja 4 valentna elektrona kovalentnim vezama veu za susjedne atome Ge ili Si, a peti elektron otputaju tako da poluvodi postaje negativno nabijen: N-tip poluvodia. U ovom tipu poluvodia slobodni elektroni su glavni ili veinski nosioci naboja, a upljine sporedni ili manjinski nosioci naboja.Ako se istom poluvodiu dodaju 3-valentni elementi tzv. akceptori (metali: Al aluminij, Ga galij, In indij, polumetal: B bor), oni uzimaju elektron iz atoma Ge ili Si da bi se kovalentnim vezama vezali za susjedne atome Ge ili Si, tako da u atomima poluvodia ostaju upljine pa poluvodi postaje pozitivno nabijen: P-tip poluvodia. U ovom tipu poluvodia upljine su glavni ili veinski nosioci naboja, a slobodni elektroni sporedni ili manjinski nosioci naboja.

P i N-tip poluvodia na dodiru

Na mjestu dodira P i N tipa poluvodia dolazi do rekombinacije elektrona i upljina pa nastaje PN spoj u kojem nema slobodnih nosilaca naboja ve samo ostaju ioni akceptora i donora. Zbog toga se stvara unutranje elektrino polje koje sprijeava prijelaz veinskih nosilaca naboja iz jednog tipa poluvodia u drugi. Kroz PN spoj postoji samo struja manjinskih nosilaca naboja.Napomena: pozitivni naboj (upljine) kreu se u smjeru elektrinog polja (od vieg prema niem potencijalu) negativni naboj (slobodni elektroni) kreu se u smjeru suprotnom smjeru elektrinog polja (od nieg prema viem potencijalu)

Kod propusne polarizacije PN spoja potencijalna barijera se smanjuje i kroz PN spoj tee direktna struja Id veinskih nosilaca naboja.Kod nepropusne polarizacije PN spoja potencijalna barijera se poveava i kroz PN spoj tee vrlo mala reverzna struja Ir manjinskih nosilaca naboja.Dogovorno je za smjer struje uzet smjer kretanja upljina kao pozitivnog naboja.

DIODA

TRANZISTORITranzistor je punoupravljivi ventil kojemu se podeavanjem struje baze moe regulirati struja koja kroz njega prolazi.

Pojaanje tranzistora je omjer kolektorske i bazne struje koji za energetske tranzistore iznosi izmeu 15 i 100. Zbog takvog relativno malog pojaanja tranzistor zahtijeva snane impulse a prema tome i snane upravljakesklopove. Reverzni probojni napon je kod tranzistora izuzetno nizak i iznosi oko 10V ak i za tranzistore s vrlo visokim nazivnim naponom. Zbog toga se tranzistor ne moe direktno koristiti kao ispravlja, a esto ga treba izatititi od reverznog napona koji bi ga trenutno unitio.

U energetskoj se elektronici koristi iskljuivo kao sklopka odnosno ventil. To znai da je tijekom rada ureaja tranzistor ili iskljuen ili ukljuen.Tranzistorom se upravlja nizom impulsa kako bi on u prekidakom radu poput sklopke vrlo brzo ukljuivao i iskljuivao troilo.

BIPOLARNI TRANZISTOR BJT (bipolar junction transistor)

- bipolarni: u voenju struje sudjeluju 2 razliita nosioca naboja: upljine iz P u N tip i slobodni elektroni iz N u P tip

Shematski prikaz rada tranzistora

Tranzistor se sastoji od 2 PN spoja. U jednom N tipu nalazi se mnogo slobodnih elektrona i prikljuak se zove emiter. U P tipu se nalazi manji broj upljina i fiziki je manji od oba N tipa, a prikljuak se zove baza. Drugi N tip ima manje elektrona od prvog N tipa, ali znatno vie nego upljina u P tipu; prikljuak se zove kolektor.Na spoju izmeu baze i emitera stvara se unutranje elektrino polje Eu1 koje sprijeava kretanje elektrona iz N u P tip. Ako se izmeu baze i emitera dovede vanjski pozitivni napon EBE (PN spoj propusno polariziran), elektroni iz emitera prelaze u bazu, djelomino se rekombiniraju s malim brojem upljina baze. Zbog male veliine baze na elektrone djeluje unutranje elektrino polje Eu2 spoja B-C i prebacuje elektrone u kolektor. Elektroni u kolektoru se pomou polja napona ECE usmjeravaju prema emiteru i zatvaraju strujni krug.

BJT TRANZISTOR

FET-ovi (Field Effect Transistor) unipolarni tranzistori (u voenju struje sudjeluje samo jedan tip nosilaca naboja: slobodni elektroni u N tipu i upljine u P tipu) regulacija jakosti struje obavlja se naponom nepropusne polarizacije odnosno elektrinim poljem Prikljunice se oznaavaju: S (source-izvor, uvod), D (drain-odvod), G (gate-vrata, zasun)

Razlog nastajanja: traila se manja potronja i manje dimenzijeAko se na poluvodi N tipa prikljui napon, kroz njega e tei struja. Ako je napon konstantan i struja e biti konstantna. Ako uz konstantan napon elimo smanjiti struju potrebno je smanjiti prostor za kretanje elektrona i to naponom odnosno elektrinim poljem. U tu svrhu u N tip poluvodia dodajemo P tip. Nepropusnom polarizacijom iri se nevodljivi PN spoj i smanjuje prostor vodljivog N tipa i time struja. Pri dovoljno velikom naponu nepropusne polarizacije struja se moe prekinuti.

BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAKOM ELEKTRODOMIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) je punoupravljivi ventil novije generacije nastao integracijom tranzistora i MOSFET-a koji mu daje struju baze. Danas je kod ureaja veih snaga u potpunosti zamijenio tranzistore . Karakteristike su mu iste kao i tranzistoru samo to MOSFET preko kojeg se upravlja ima izuzetno velik ulazni otpor pa omoguuje upravljanje vrlo slabim strujama i tako pojednostavnjuje izvedbu upravljakih sklopova. IGBT radi na otprilike istim frekvencijama kao i energetski tranzistor, ali ima neto vei pad napona to uzrokuje poveane gubitke voenja. IGBT se godinama uspjeno koristi u pretvaraima frekvencije manjih snaga.Nazivne vrijednosti struje i napona su preko 1,5 kA i 4,5 kV.

TIRISTORZa voenje velikih struja koriste se tiristori. Tiristor je poluvodiki element s tri PN spoja. Ako ga prikljuimo na pozitivan napon, dva vanjska PN spoja su propusno polarizirana dok je unutranji PN spoj nepropusno polariziran pa tiristor ne vodi.Ako na geit dovedemo pozitivni napon (pozitivniji od onog na katodi), srednji PN spoj e biti propusno polariziran i tiristor e provesti struju. Da bi tiristor bio u vodljivom stanju nije potreban stalno prisutan napon na geitu, pa se za taj napon koriste kratki igliasti impulsi. Prestanak voenja tiristora moe se ostvariti samo prekidanjem strujnog kruga.

Vanjska karakteristika tiristora

Valni oblici napona u krugu s tiristorom

Tiristor je poluupravljivi elektroniki ventil koji vodi samo u jednom smjeru, a kojeg se pod uvijetom da je propusno polariziran (+ na anodi a na katodi) moe ukljuiti slabim kratkotrajnim pozitivnim (u odnosu na katodu) impulsom na upravljakoj elektrodi gate-u.

Kada je jednom proveo tiristor se ne moe sam prisilno ugasiti ve treba ekati da struja sama padne ispod struje dranja.

Tiristor ima jednaki probojni napon u propusnom i reverznom smjeru to ga ini idealnim za primjenu u ispravljaima.

Ako mu se u propusnom smjeru dovede vei napon od probojnog tiristor e provesti,a ako je napon vei od probojnog u nepropusnom smjeru tiristor e izgorjeti.

Pad napona tijekom voenja iznosi najmanje 1,4 V i poveava se s poveanjem nazivnog napona tiristora (moe biti i vei od 3V).Tiristor zbog dugog vremena oporavljanja radi na mnogo niim frekvencijama prekapanja od tranzistora, ali zato treba mnogo slabije upravljake sklopove i bolje podnosi preoptereenje.

TIRISTOR

GEITOM ISKLOPIVI TIRISTOR - GTO

GTO (Gate Turn Off) tiristor je punoupravljivi ventil koji se ukljuuje poput tiristora slabim pozitivnim impulsom na gate,ali se za razliku od tiristora moe i iskljuiti i to snanim negativnim impulsom na GATE.

Koristi se uglavnom kod izmjenjivaa, a nedostaci su mu: reverzni probojni napon manji od 50V, vei pad napona (1V vei od tiristora), vea cijena, dodatni snani upravljaki krugovi za gaenje, manja snaga od tiristora i vei gubici.

TRANSFORMATORTransformator se koriste za galvansko odvajanje i podizanje ili sputanje izmjeninog napona i struje.

IZMJENINO-ISTOSMJERNI PRETVARAI Pretvorba izmjeninog napona u istosmjerni i obratno Primjena: napajanje elektronike opreme (raunala, mobitela, radioprijemnika iz rasvjetne mree, regulirani elektromotorni pogoni, indukcijsko zagrijavanje, galvanizacija, elektrolitika proizvodnja kemikalija

PRETVORBA IZMJENINOG NAPONA U ISTOSMJERNIOsnovna topologija

Napon na troilu je punovalno ispravljeni napon, istosmjerni napon vremenski promjenjiv koji ima srednju vrijednost UR za razliku od izmjeninog napona izvora ija je srednja vrijednost nula.

US=maksimalna vrijednost izmjeninog naponaIzlazni napon osim istosmjerne komponente UR, sadri i nepoeljne izmjenine komponente tzv. vie harmonike koji se priguuju niskopropusnim LC filtrom.Na donjoj slici je prikazan isti pretvara, ali sa dodanim L i C elementima kao niskopropusnim filtrom koji potiskuje neeljene vie harmonike u izlaznom naponu na troilu.

PRETVORBA ISTOSMJERNOG NAPONA U IZMJENINIOsnovna topologija

Pozitivni napon-zatvorene sklopke P, otvorene sklopke NNegativni napon-zatvorene sklopke N, otvorene sklopke P Sklopke P i N se zatvaraju i otvaraju u jednakim vremenskim intervalima

ISTOSMJERNI PRETVARAIIstosmjerni pretvarai se upotrebljavaju u napajaima elektronike opreme gdje upravljaju tokom elektrine energije izmeu dva istosmjerna sustava.Istosmjerni pretvara prikljuuje se na istosmjerni izlazni napon izmjenino- istosmjernog pretvaraa i pretvara ga u druge istosmjerne napone potrebne za napajanje elektronikih sklopova (npr. u 5 V ili 15 V.Koriste se i u postrojenjima napajanim iz baterije i u elektrinoj vui za upravljanje brzinom vrtnje istosmjernih motora ( u viliarima i istosmjernim elektromotornim vlakovima). Jedna vrsta ovih pretvaraa koja se veinom koristi u elektrinoj vui naziva se oper.Osnovna topologija

Topologija istosmjernih pretvaraa slina je topologiji istosmjerno-izmjeninog pretvaraa, ali je razlika u upravljanju sklopkama.P i N sklopke imaju nejednaka vremena voenja tako da napon uR ima istosmjernu komponentu U2.Namjetanjem relativnog vremena voenja parova sklopki (faktor voenja sklopke D) srednja vrijednost napona uR moe se mijenjati izmeu U1 i U1.(Na slici je faktor voenja P sklopki 0.75, a N sklopki 0.25)

to se postie neizravnom istosmjernom pretvorbom? Galvansko odvajanje dva istosmjerna sustava Mogunost prilagodbe dvaju vanjskih sustava velike razlike napona odabirom omjera zavoja primarnog i sekundarnog namota transformatora

IZMJENINI PRETVARAIIzmjenini pretvarai pretvaraju jedan izmjenini sustav odreenog valnog oblika, amplitude (maksimalne vrijednosti), faze i frekvencije u drugi izmjenini sustav razliitih parametara.Pristupi osnovnoj topologiji pretvaraa:1. Promjena efektivne vrijednosti izmjeninog napona (izmjenini regulator)2. Mijenjanje frekvencije i to tako da je izlazna frekvencija mnogo nia od ulazne (ciklopretvara)3. Dva AC/DC pretvaraa meusobno spojena sa svojim istosmjernim prikljucima ( izmjenini pretvara sa istosmjernim meukrugom)

Izravna izmjenina pretvorba Izmjenini regulator rasvjete Sklopka se otvara u svakom prolazu napona kroz nulu, a zatvara u nekom kasnijem trenutku poluperiode Mijenja se efektivna vrijednost izlaznog napona, ne mijenja se osnovna frekvencija Vii harmonici se mogu priguiti filtrima

Ciklopretvara Mijenja viu frekvenciju ulaznog napona u niu frekvenciju izlaznog napona Sklopkama se fazno upravlja i to se sinusno mijenja kut upravljanja s frekvencijom 2 (f2) koja je mala prema frekvenciji izvora 1 (f1)Za dobivanje pozitivnog izlaznog napona sklopke P su zatvorene kada je ulazni napon pozitivan, a sklopke N kada je negativan.Za dobivanje negativnog izlaznog napona sklopke P su zatvorene kada je ulazni napon negativan, a sklopke N kada je pozitivan Vrijednost induktiviteta L mora biti takva da jegdje je:T1=period ulaznog naponaT2=period izlaznog napona=vremenska konstanta

ime se dobiva niskopropusni filtar koji ree vie harmonike i na izlazu je izmjenini napon u2 frekvencije 2.

Princip neizravne izmjenine pretvorbe Izmjenini pretvara s istosmjernim meukrugom Istosmjerni meukrug ili istosmjerne sabirnice (prikazan kondenzatorm) predstavlja dio sklopa s konstantnom energijom tj. preuzimaju bilo koju trenutanu razliku izmeu ulazne i izlazne energije (uravnoteenje optereenja pohranom energije) U nekim primjenama pohranjena energija u kondenzatoru dovoljno je velika da podri neprekinutu rad sustava u sluaju nestanka energije (sustav za neprekinuto napajanje)

ODABIR POLUVODIKE SKLOPKESklopke u prikazanim osnovnim topologijama su idealne. Moemo ih po volji uklapati i isklapati. Dok su zatvorene mogu voditi struju u oba smjera, a dok su otvorene mogu drati napon obaju polariteta. Poluvodike sklopke imaju samo neke karakteristike idealnih sklopki.Npr. bipolarni tranzistor moe voditi samo u jednom smjeru i drati napon jednog polariteta. Ne moe se djelovati na uklapanje i isklapanje diode.Na slici je prikazan AC/DC pretvara kojem su idealne sklopke zamijenjene diodama.

P diode su propusno polarizirane kada je napon izvora pozitivan, vode struju i napon na njima je nula. Ako primjenimo II. Kirchhoffov zakon za petlju izvor-dioda P- dioda N, napon na diodi N je jednak naponu izvora, ali je negativan i N dioda je nepropusno polarizirana. I obratno, kada je napon izvora negativan ne vode P diode, a vode N diode. Dakle N diode uklapaju kada napon izvora proe kroz nulu od pozitivnih prema negativnim vrijednostima, a P diode istodobno isklapaju te je nemogue upravljanje izlaznim naponom.

8