Design och konstruktion av laborationsutrustning till en ... 354828/ ¢  2.1.3 BJT (Bipolar

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Design och konstruktion av laborationsutrustning till en ... 354828/ ¢  2.1.3 BJT (Bipolar

  • ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2010/03-SE

    Examensarbete 15 hp September 2010

    Design och konstruktion av laborationsutrustning till en kraftelektronikkurs

    Joel Ebersson

  • Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

    Abstract

    Design och konstruktion av laborationsutrustning till en kraftelektronikkurs Design and construction of laboratory equipment for a course in power electronics

    Joel Ebersson

    The purpose of this degree project was to build laboratory equipment for a new course in power electronics that starts this autumn 2010 at Uppsala University. The equipment is intended for student labs and it covers the most important areas of the course including rectifying, buck-/boost-converters and PWM-modulation. It is built as one sealed unit where all the electronics are built-in but visible and it has a connection board where students safely can connect the different circuits. The project has advanced from theoretical studies of circuit design, choosing of components and simulations to drawing the printed circuit board (PCB), soldering, case building, final testing and troubleshooting - basically most steps from an early idea to a final product. Measurements on the final product gave about the same results as the earlier simulations of the circuits and the result is overall satisfying.

    ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2010/03-SE Examinator: Nora Masszi Ämnesgranskare: Mats Leijon Handledare: Olle Svensson

  • Sammanfattning Syftet med det här examensarbetet var att bygga laborationsutrustning till en ny kurs i kraftelektronik som börjar hösten 2010 på Uppsala Universitet. Utrustningen är avsedd för studentlaborationer och den täcker de viktigaste delarna av kursen inklusive likriktning, buck- /boost-omvandlare och pulsbreddsmodulering (PWM). Laborationsutrustningen är byggd som en sluten enhet där all elektronik är inbyggd men synlig och den har en kopplingsplatta där studenterna säkert kan koppla ihop olika kretsar. Projektet har sträckt sig från teoretiska studier inklusive kretsdesign, komponentval och simuleringar till ritande av kretskortet (PCB- kortet), lödning, byggande av höljet, sluttestning och felsökning - i huvudsak de flesta stegen från en tidig idé till en färdig produkt. Mätningar på den färdiga produkten är ganska lika de tidigare simuleringarna av kretsarna och resultatet är totalt sett tillfredställande.

  • 1

    Innehåll Innehåll....................................................................................................................................... 1 Förord ......................................................................................................................................... 2 Ordlista ....................................................................................................................................... 2 1. Inledning................................................................................................................................. 3

    1.1 Bakgrund .......................................................................................................................... 3 1.2 Syfte ................................................................................................................................. 3 1.3 Mål ................................................................................................................................... 3

    2. Teori ....................................................................................................................................... 4 2.1 Komponenter .................................................................................................................... 4

    2.1.1 Dioder........................................................................................................................ 4 2.1.2 Tyristorer ................................................................................................................... 5 2.1.3 BJT (Bipolar Junction Transistor)............................................................................. 6 2.1.4 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) ........................... 7 2.1.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)................................................................. 8

    2.2 Likriktare.......................................................................................................................... 8 2.3 DC/DC-omvandlare ......................................................................................................... 9 2.4 Boost-omvandlare ............................................................................................................ 9

    2.4.1 Kontinuerligt eller diskontinuerligt strömflöde......................................................... 9 2.4.2 Val av induktor och kondensator ............................................................................ 10

    2.5 Buck-omvandlare ........................................................................................................... 11 2.6 Pulsbreddsmodulering (PWM)....................................................................................... 11 2.7 Effektfaktorkorrigering (PFC)........................................................................................ 12

    2.7.1 Passiv PFC............................................................................................................... 13 2.7.2 Aktiv PFC................................................................................................................ 13

    3. Utförande.............................................................................................................................. 14 3.1 Modulerna ...................................................................................................................... 14

    3.1.1 Likriktarbrygga........................................................................................................ 15 3.1.2 PFC.......................................................................................................................... 15 3.1.3 DC/DC..................................................................................................................... 16

    3.2 Konstruktion................................................................................................................... 17 4. Resultat................................................................................................................................. 20

    4.1 PFC/Boost ...................................................................................................................... 20 4.2 PWM & Buck................................................................................................................. 23

    5. Diskussion ............................................................................................................................ 27 5.1 Skillnader mellan simuleringar och mätningar .............................................................. 27 5.2 Handhavande.................................................................................................................. 27 5.3 Förbättringar................................................................................................................... 27

    6. Slutsatser .............................................................................................................................. 29 7. Referenser............................................................................................................................. 30 8. Bilagor .................................................................................................................................. 31

    8.1 Kretsscheman ................................................................................................................. 31 8.2 PCB-layout ..................................................................................................................... 35 8.3 Specifikationer ............................................................................................................... 37 8.4 Komponentlista .............................................................................................................. 38 Documentation for SMPS laboratory equipment used in the course Power Electronics 1TE046 5HP......................................................................................................................... 40

  • 2

    Förord Jag vill tacka följande personer för deras medverkan och stöd i mitt arbete (i bokstavsordning): Prof. Mats Leijon Nora Masszi Sara Sjöwall Olle Svensson Kurupath Venugopalan Mattias Wallin Vill dessutom skänka ett speciellt tack till en mycket nära och kär vän som tragiskt avled under mitt arbetes gång.

    Ordlista HVDC - High Volt Direct Current = Högvoltslikström AC/DC - Alternate Current/Direct Current = Växelström/Likström DC/DC - Direct Current/ Direct Current = Likström/Likström PFC - Power Factor Correction = Effektfaktorkorrigering PWM - Pulse Width Modulation = Pulsbreddsmodulering SMPS - Switched Mode Power Supply = Switchat nätaggregat Switch = Strömbrytare Duty-cycle = Arbetscykel

  • 3

    1. Inledning 1.1 Bakgrund Hösten 2010 startar en ny kurs i kraftelektronik