1 / 33

Osnovne sklopke

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.

jethro
Download Presentation

Osnovne sklopke

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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.

  2. Idealna elektronička sklopka 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

  3. Poluvodička sklopka - poluvodički ventil 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.

  4. Primjer poluvodičke sklopke i poluvodičkog ventila poluvodički ventil - tiristor poluvodička sklopka - tiristorska sklopka

  5. Poluvodički ventil 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

  6. Gubitci poluvodičkih ventila • 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. Gubitci poluvodičkih ventila Naponsko-strujno naprezanje diode tijekom isklapanja

  8. Podjela poluvodičkih ventila

  9. Osnovne vrste poluvodičkih ventila Ne postoji poluvodički ventil koji ima sva svojstva idealne mehaničke sklopke.

  10. Gdje se upotrebljavaju poluvodički ventili? Vuča Elektromotorni pogoni Napajanje Neprekinuto napajanje Istosmjerni veleprijenosi Kompenzatori Elektrolize Indukcijsko zagrijavanje Visokofrekvencijsko zavarivanje

  11. Radna područja poluvodičkih sklopki

  12. Dioda • neupravljiva, jednokvadrantna sklopka • vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K) • preuzima negativni (zaporni) napon u stanju nevođenja Uth – napon praga (1 – 1,5 V) Rd – dinamički otpor (m) Idealizirana karakteristika Idealna karakteristika

  13. Tiristor • 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 Idealizirana karakteristika Idealna karakteristika

  14. Tiristor – vrijeme oporavljanja Već na razini osnovne analize sklopova, treba u model tiristora uvesti vrijeme oporavljanja. trr vrijeme oporavljanja tq vrijeme odmaranja 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.

  15. Geitom isklopivi tiristor – GTO (engl. gate turn off thyristor) • 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 karakteristika Idealizirana karakteristika

  16. Bipolarni tranzistor – BJT (engl. bipolar junction transistor) • 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 Idealizirana karakteristika Idealna karakteristika

  17. Bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom – IGBT (engl. insulated gate bipolar transistor) • 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 Idealizirana karakteristika Idealna karakteristika

  18. MOS tranzistor s učinkom polja – MOSFET (engl. metal oxide semiconductor field effect transistor) • 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 Idealizirana karakteristika Idealna karakteristika

  19. Hibridna sklopka- strujno dvosmjerna Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u) može se dodati povratna dioda. Ukoliko dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET-a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće:

  20. Primjer upotrebe strujno dvosmjerne sklopke Primjer upotrebe dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke kod trofaznog izmjenjivača s naponskim ulazom.

  21. Hibridna sklopka- naponski bipolarna 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.

  22. Primjer upotrebe naponski bipolarne sklopke Primjer upotrebe dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke kod trofaznog izmjenjivača sa strujnim ulazom.

  23. Četverokvadrantna sklopka 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

  24. Primjer upotrebe četverokvadrantne sklopke – matrični pretvarač Matrični pretvarač Svi naponi i struje su izmjenične veličine, sklopke trebaju biti četverokvadrantne. Potrebno je 9 takvih sklopki.

  25. 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.

  26. Računanje gubitaka poluvodičkih ventila Ukoliko se računa preko ukupne energije gubitaka u jednoj karakterističnoj periodi za valne oblike na gornjoj slici dobije se:

  27. Računanje gubitaka poluvodičkih ventila

  28. Računanje gubitaka poluvodičkih ventila Dobiju se tri komponente srednje snage na poluvodičkoj sklopci.

  29. Računanje gubitaka poluvodičkih ventila Energije gubitaka mogu se približno izračunati i pomoću kataloških podataka.

  30. Računanje gubitaka poluvodičkih ventila

  31. 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. 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.

  32. Računanje gubitaka poluvodičkih ventila Općeniti izraz za gubitke sklopke: Ukoliko se primijeni na prije prikazanu ui karakteristiku, slijedi: Srednja vrijednost gubitaka vođenja u jednoj sklopnoj periodi TSWje: Dobije se poznati izraz u kojem se pojavljuje srednja i efektivna vrijednost struje ventila.

  33. Računanje gubitaka poluvodičkih ventila Budući da različiti tipovi učinskih poluvodičkih ventila imaju različite ui karakteristike, slijede izrazi za srednju vrijednost gubitaka vođenja. Za DIODU i TIRISTOR: Za MOSFET (djeluje samo RDS(on)): Za BJT i IGBT (djeluje samo UCES):

More Related