Upload
sulhan89
View
76
Download
2
Tags:
Embed Size (px)
Citation preview
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 1
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 11
POWER ELECTRONICSPOWER ELECTRONICS
Elektronika DayaElektronika Daya
Istanto W. DjatmikoIstanto W. DjatmikoElektro, FT UNYElektro, FT UNY
IWJ-2006: Perkuliahan 1 2
Signal processing
Electronics
Electromagnetics
Power systems
Circuit theorySolid-state physics
Systems & Control theory
Electric machines
Simulation & Computing
Power
Electronics
Scope of Power ElectronicsScope of Power Electronics
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 2
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 33
Lingkup Elektronika DayaLingkup Elektronika Daya
Elektronika Elektronika (electronics)(electronics)
Ketenagaan Ketenagaan (power)(power)
Pengaturan Pengaturan (control)(control)
mempelajari piranti semikonduktor dan rangkaiannya pada tingkat daya yang kecil
membahas tentang pembangkitan, transmisi, distribusi energi listrik, dan mesin listrik
membahas stabilitas dan karakteristik respon dari suatu sistem rangkaian-tertutup
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 44
Elektronika DayaElektronika Daya
merupakanmerupakan aplikasiaplikasi daridari lingkuplingkup elektronikaelektronikayangyang mempelajarimempelajari pengaturanpengaturan dandan konversikonversilistriklistrik dengandengan dayadaya yangyang besarbesar
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 3
IWJ-2006: Perkuliahan 1 5
What We Mean by Power Electronics?
Uses semiconductor devices as switches for power conversion from one type of source to another.
Uses solid-state electronics for efficient control of the amount of power and energy flow.
Applies control techniques in order to obtain the desired input and output requirements.
We can say that Power Electronics combine Power, Electronics and Control.
Thus we can define Power Electronics as the applications of solid-state electronics for the control and conversion of electric power.
Rashid M. (2001)
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 66
Power Electronics SystemPower Electronics System
Consists of an input source and a load. One or more converters for power conversion. Power semiconductor devices, which are used as switches to perform the power conversion. A gating circuit to generate the gate drive signals for the switching devices. A feedback control circuit implemented either in analog and/or digital electronics. One or more static-switches acting as a circuit breaker.
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 4
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 77
Circuits/systems to process and control the flow of electrical energy/power from input source optimally suited to user load
LoadPower
Processor
Controller
Power Input Power output
Control Signals
Reference signal
Measurements (v and/or i)
Power Electronic system
(v, i)i (v, i)o
What is Power Electronics?
88IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1
Power Input: from electric utility, 1 or 3 phase, 50 or 60 Hz: ac inputfrom dc supply/battery: dc input from previous converter output: ac/dc input
Power Output: to load (load can be of R or L or R-L nature)output parameters: dc/ac voltage, dc/ac current, frequency & numberof phase
Power Converter Core : Using BJT/ MOSFET/ SCR/ GTO/ IGBT/ MCT as switch, Diode, L and C as energy manipulatorsBecause converter core used switches, the electronic circuits are also called Switch-mode Power Supplies
Converter 1 Converter 2Energystorage elements
i/p o/p
Power Processor
Power Input: from electric utility, 1 or 3 phase, 50 or 60 Hz: ac inputfrom dc supply/battery: dc input from previous converter output: ac/dc input
Power Output: to load (load can be of R or L or R-L nature)output parameters: dc/ac voltage, dc/ac current, frequency & numberof phase
Power Converter Core : Using BJT/ MOSFET/ SCR/ GTO/ IGBT/ MCT as switch, Diode, L and C as energy manipulatorsBecause converter core used switches, the electronic circuits are also called Switch-mode Power Supplies
Converter 1 Converter 2Energystorage elements
i/p o/p
Power Processor
Converter 1 Converter 2Energystorage elements
Converter 1 Converter 2Energystorage elements
i/p o/p
Power Processor
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 5
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 99
Fungsi Semikonduktor dalam Elektronika DayaFungsi Semikonduktor dalam Elektronika Daya
pensakelaran (switching)pengubah (converting)pengatur (controlling)
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 1010
Esensi Rangkaian Elektronika DayaEsensi Rangkaian Elektronika Daya
• Pengaturan tegangan dengan potensiometer
Untuk mengubah tegangan V1 menjadi V2, dimana V2 < V1 terdapat rugi daya sebesar I2 (R1 + R2).
V1
V2
R1
R2
>
I
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 6
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 1111
• Pengaturan tegangan dengan pensakelaran (switching)
electronic switching
V1 V2
Untuk mengubah tegangan V1 menjadi V2, TIDAK TERDAPAT RUGI DAYApada elemen electronic switching
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 1212
Apakah electronic switching itu ?Apakah electronic switching itu ?
(1) Power Diode(2) Silicon-Controlled Rectifier (SCR) or Thyristor(3) Gate Turn-off Thyristor (GTO)(4) Power Bipolar Junction Transistor (Power BJT)(5) Power Metal-Oxide Field-Effect Transistor (Power
MOSFET)(6) Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) (7) Mos-Controlled Thyristor (MCT)
As electronic switching, there is two conditions, ie. ON and OFF
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 7
1313IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1
Overview of Power Semiconductor Switches
IWJ-2006: Perkuliahan 1 14
Power diodesPower diodes CathodeAnode+ vD –
iDCircuit symbol
VTH~ 0
v
i
IR~0
Ideal
v
i
VBR1/Ron
VTHIR
Real linear
FB
RB
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 8
IWJ-2006: Perkuliahan 1 15
Syarat Diode ON/OFF
ON, jika :A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K (-).
VAK = 0, IA = Ibeban
OFF, jika : A dan K dibias mundur (RB), dimana A(-) dan K (+). VAK = Vsumber, IA = 0
IWJ-2006: Perkuliahan 1 16
• Forward-biased region, where vD > 0. ID is very small if vD < VTH (threshold or cut-in or turn-on or knee voltage). ID is large if vD > VTH. The diode conducts fully and ID is limited externally.
• Reverse-biased region, where vD < 0. The reverse leakage current, IR (or IS) is very small, in the range of micro- to milli-ampere due to the flow of the thermally generated carriers.
• Breakdown region, where vD < -VBR (breakdown voltage). VBR is avalanche or zener voltage, where avalanche breakdown begins to occur. The reverse current increases rapidly with a small change in reverse voltage beyond VBR. If the current is limited external, the diode is not spoiled as long as the power dissipation (ID*VBR) < PD,max.
• Comparisons: VTH: power diodes: ~1V; signal diodes: ~0.7Vforward i-v: power diodes: linear; signal diodes: exponentialRon (ohmic resistance): power diodes: >0Ω; signal diodes: ~0Ω.
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 9
IWJ-2006: Perkuliahan 1 17
Voltage and current waveforms for a power diode driven by currents with a specified diF/dt and a specified diR/dt.
IF
tQrr
trrIleak
VR
Vrrt1 t2
t3t4
t5
VFP
Von
v(t)
i(t)
Irr
0.25Irr
diF/dt diR/dt
0
0Tens of volts
Qrr ≈ Irrtrr/2, Ileak ≈ 0
Switching characteristics
IWJ-2006: Perkuliahan 1 18
Power TransistorsPower Transistors
vCE
iC
on
off
Ideal
+vCE
-
iCC
EB
IB
Current driven
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 10
IWJ-2006: Perkuliahan 1 19
ON, jika :
Terminal C dan E dibias maju, polaritas C dan E tergantung jenis transistornya.
Arus IB > 0
VCE = 0 dan IC = Ibeban
Syarat Transistor ON/OFFSyarat Transistor ON/OFF
OFF, jika :
Terminal C dan E dibias maju, polaritas C dan E tergantung jenis transistornya.
Arus IB = 0
VCE = VCC = Vsumber dan IC = 0
IWJ-2006: Perkuliahan 1 20
Power MOSFETPower MOSFET
vDS
iDon
off
Ideal
vDS
IDS5
VDS = VGS-VGS(TH)
Ohmic region
Active region
Cut-off region
iD
BVDSS
VGS1
VGS5
VGS4
VGS3
VGS2
VGS < VGS(TH)
Incr
easi
ng
V GS
VDS<VGS-VGS(TH)
VGS > VGS(TH)
VDS >VGS-VGS(TH)
IDS4
IDS3
IDS2
IDS1
Gate
Drain
Source
Tipe N
Voltage driven
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 11
IWJ-2006: Perkuliahan 1 21
ON, jika :
Terminal D dan S dibias maju, polaritas D dan S tergantung jenis mosfetnya.
Tegangan VGS > 0
VDS = 0 dan ID = Ibeban
Syarat MOSFET ON/OFFSyarat MOSFET ON/OFF
OFF, jika :
Terminal D dan S dibias maju, polaritas D dan S tergantung jenis mosfetnya.
Tegangan VGS = 0
VDS = VDD = Vsumber dan ID = 0
IWJ-2006: Perkuliahan 1 22
Thyristors (SCR)Thyristors (SCR)
Cathode
Anode
Gate
iG
iAvAK
+
-
Two-transistor model
G
J1
J2
J3
A
K
IA1IA2
IG
Q1
Q2
vAK
iA
VH
IH
Forward blocking
Forward on-state
IBO
VBO
iG2 iG1 iG= 0
iG increase
VRWM
IL
V’ RWM
v
i
VF~ 0
IR~ 0
Ideal
FBRB
Reverse blocking
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 12
IWJ-2006: Perkuliahan 1 23
Syarat SCR ON/OFF
ON, jika :A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K (-).
Arus IG > 0
VAK = 0, IA = Ibeban
OFF, jika : A dan K dibias mundur (RB), dimana A(-) dan K (+).
Arus IG > 0
VAK = Vsumber, IA = 0
IWJ-2006: Perkuliahan 1 24
TRIACMT2
MT1G
iG
+i
+v
Quadrant IMT2 +
Quadrant IIIMT2 -
+VBO
-VBO+IH
-IHv
i
VF~ 0
IR~ 0
Ideal
FBRB
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 13
IWJ-2006: Perkuliahan 1 25
Syarat TRIAC ON/OFF
A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K (-).ON, jika :Arus IG > 0 VAK = 0, IA = Ibeban
A dan K dibias mundur (RB), dimana A(-) dan K (+).
ON, jika : Arus IG < 0
VAK = 0, IA = Ibeban
A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K (-).
OFF, jika :Arus IG = 0
VAK = Vsumber, IA = 0
A dan K dibias mundur (RB), dimana A(-) dan K (+).
OFF, jika : Arus IG = 0
VAK = Vsumber, IA = 0
IWJ-2006: Perkuliahan 1 26
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
n-channel IGBT
G
C
E
pnp BJT
n-channel MOSFET
Equivalent circuits
Circuit symbols:
n-ChannelGate (G)
Drain(D)
Source(S)
G
C
Eor
n-channel IGBT
p-channel IGBT
G
C
E
npn BJT
p-channel MOSFET
G
D
SG
C
E
p-channel IGBT
or
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 14
IWJ-2006: Perkuliahan 1 27
Due to J1 forward bias
actual
linearized
vGE
iC
VGE(th)
Transfer curve
Active region
Cut-off region vCE
iC
BVCES
VGE1
VGE5
VGE4
VGE3
VGE2
VGE < VGE(th)
VGE(th) ~ 3- 8V, VGE(max)= ±20 to 25V, VCE(sat)~ 2- 4V
VGE > VGE(th)VRM
~1V
A few tens of volts due J1breakdown
Increasing VGE
IWJ-2006: Perkuliahan 1 28
Karakteristik dan Simbol Semikonduktor Daya
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 15
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 2929
Types of Power ConvertersTypes of Power Converters
acac--dcdc converter,converter, alsoalso calledcalled asas aa rectifierrectifier..acac--acac converter,converter, alsoalso calledcalled asas anan acac voltagevoltage
controllercontroller..dcdc--dcdc converter,converter, alsoalso calledcalled asas aa dcdc chopperchopper..dcdc--acac converter,converter, alsoalso calledcalled asas anan inverterinverter..
IWJ-2006: Perkuliahan 1 30
Konversi DC
Konversi AC ke DC
- ~ Konversi DC ke AC
Konversi AC
- ~
• Penyearah tak-terkendali (rectifier)• Penyearah terkendali (konverter AC-DC).• Pengatur tegangan arus bolak-balik (konverter AC-AC).• Pemangkas arus searah (konverter DC-DC atau chopper DC).• Inverter (konverter DC-AC).
Jenis Rangkaian Elektronika DayaJenis Rangkaian Elektronika Daya
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 16
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 3131
Penyearah Tak-terkendali (penyearah) merupakan rangkaian yangmengubah sumber tegangan arus bolak-balik (AC) menjadi sumbertegangan arus searah (DC) tetap
Penyearah terkendali (konverter) merupakan rangkaian yangmengubah sumber tegangan AC menjadi sumber tegangan DC yangdapat dikendalikan/diatur.
Pengatur tegangan AC (AC-regulator) merupakan suatu rangkaianyang digunakan untuk mengubah sumber tegangan AC tetap menjadisumber tegangan AC yang dapat dikendalikan/diatur
Pemangkas arus searah (chopper) merupakan suatu rangkaian yangdigunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumbertegangan DC yang dapat dikendalikan/diatur.
Inverter merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubahsumber tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan AC yang dapatdikendalikan/diatur.
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 3232
ReviewReview
1. Jelaskan fungsi semikonduktor daya dalam rangkaian elektronika daya !
2. Jelaskan keuntungan sakelar elektronik dalam rangkaian elektronika daya !
3. Jelaskan kapan diode ON dan OFF !
4. Jelaskan kapan transistor ON dan OFF !
5. Mengapakah transistor disebut piranti current driven ?
6. Jelaskan kapan MOSFET ON dan OFF !
7. Mengapakah MOSFET disebut piranti voltage driven ?
8. Jelaskan kapan SCR ON dan OFF !
9. Apakah yang dimaksud dengan rangkaian penyearah (rectifier) ?
10. Apakah yang dimaksud dengan rangkaian konverter ?
11. Apakah yang dimaksud dengan rangkaian ac regulator ?
12. Apakah yang dimaksud dengan rangkaian chopper ?
13. Apakah yang dimaksud dengan rangkaian inverter ?
14. Apakah yang dimaksud dengan rangkaian inverter ?
15. Sebutkan aplikasi rangkaian elektronika daya dalam kehidupan kita sehari-hari !
Pengantar Elektronika Daya
IWJ-2006: Perkuliahan 1 17
IWJIWJ--2006: Perkuliahan 12006: Perkuliahan 1 3333
Terima KasihTerima Kasih
Alhamdulillah, Wassalamu’alaikum