Osnovne sklopke

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU

Osnovne sklopke

Ak. god. 2012/2013 Zagreb, 13. 03. 2013.

PRAKTIKUM UČINSKE ELEKTRONIKA

Poluvodička sklopkaPoluvodički ventilPregled vrsta ventilaModeli poluvodičkih ventilaRačunanje gubitaka poluvodičkih ventila

Idealna elektronička sklopka

2

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

Poluvodička sklopka - poluvodički ventil

3

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.

Primjer poluvodičke sklopke i poluvodičkog ventila

4

poluvodička sklopka - tiristorska sklopka

poluvodički ventil - tiristor

Poluvodički ventil

5

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

Gubitci poluvodičkih ventila

6

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

Naponsko-strujno naprezanje diode tijekom isklapanja

Gubitci poluvodičkih ventila

Podjela poluvodičkih ventila

8

Osnovne vrste poluvodičkih ventila

9

Ne postoji poluvodički ventil koji ima sva svojstva idealne mehaničke sklopke.

Gdje se upotrebljavaju poluvodički ventili?

10

Vuča

Elektromotorni pogoni

Napajanje

Neprekinuto napajanje

Istosmjerni veleprijenosi

Kompenzatori

Elektrolize

Indukcijsko zagrijavanje

Visokofrekvencijsko zavarivanje

Radna područja poluvodičkih sklopki

11

Dioda

12

• neupravljiva, jednokvadrantna sklopka

• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K)

• preuzima negativni (zaporni) napon u stanju nevođenja

Idealna karakteristikaIdealizirana karakteristika

Uth – napon praga (1 – 1,5 V)Rd – dinamički otpor (m)

Tiristor

13

• poluupravljiva, uklopiva, dvokvadrantna sklopka


• 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


Tiristor – vrijeme oporavljanja

14

Već na razini osnovne analize sklopova, treba u model tiristora uvesti vrijeme oporavljanja.

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.

trr vrijeme oporavljanjatq vrijeme odmaranja

Geitom isklopivi tiristor – GTO (engl. gate turn off thyristor)

15

• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka


• 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)


Bipolarni tranzistor – BJT (engl. bipolar junction transistor)

16

• 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


Bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom – IGBT (engl. insulated gate bipolar transistor)

17

• 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


MOS tranzistor s učinkom polja – MOSFET (engl. metal oxide semiconductor field effect transistor)

18

• 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


Hibridna sklopka- strujno dvosmjerna

19

Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u) može se dodati povratna dioda.

Ukoliko dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET-a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće:

Primjer upotrebe strujno dvosmjerne sklopke

20

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

Hibridna sklopka- naponski bipolarna

21

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.

Primjer upotrebe naponski bipolarne sklopke

22

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

Četverokvadrantna sklopka

23

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

Primjer upotrebe četverokvadrantne sklopke – matrični pretvarač

24

Svi naponi i struje su izmjenične veličine, sklopke trebaju biti četverokvadrantne. Potrebno je 9 takvih sklopki.

Matrični pretvarač

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.


Ukoliko se računa preko ukupne energije gubitaka u jednoj karakterističnoj periodi za valne oblike na gornjoj slici dobije se:

swoffsswcondsswonsT ssws TETETEdpTEsw

,,,


2

2

,

,

,

offoDC

t

sst sswoffs

condoon

t

sst sswconds

onoDC

t

sst sswons

tIUdiudpTE

tIUdiudpTE

tIUdiudpTE

offoff

condcond

onon


Dobiju se tri komponente srednje snage na poluvodičkoj sklopci.

swoffoDC

swswoffssw

swoffsswoffs

swcondoonswswcondssw

swcondsswconds

swonoDC

swswonssw

swonsswons

swoffsswcondsswonssw

swssws

swsw

ftIU

fTET

TETP

ftIUfTET

TETP

ftIU

fTET

TETP

TPTPTPT

TETP

Tf

2

2

1

,,

,

,,

,

,,

,

,,,


Energije gubitaka mogu se približno izračunati i pomoću kataloških podataka.

2

2

2

2

,,,,

,,,,

,

,

offnomonomDC

t

sst sswnomoffs

onnomonomDC

t

sst sswnomons

offoDC

t

sst sswoffs

onoDC

t

sst sswons

tIUdiudpTE

tIUdiudpTE

tIUdiudpTE

tIUdiudpTE

offoff

onon

offoff

onon


nomonomDC

oDCswnomoffsswoffs

offnomonomDC

offoDC

swnomoffs

swoffs

nomonomDC

oDCswnomonsswons

onnomonomDC

onoDC

swnomons

swons

IU

IUTETE

tIU

tIU

TE

TE

IU

IUTETE

tIU

tIU

TE

TE

,,,,,

,,,,

,

,,,,,

,,,,

,

2

2

2

2


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.

2,,,offon

swoDCswoffsswonsswsws

ttfIUTPTPTP

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.


Općeniti izraz za gubitke sklopke: titutp sss

Ukoliko se primijeni na prije prikazanu ui karakteristiku, slijedi:

tiRtitutitiRtutitutp ssssossssosss2

Srednja vrijednost gubitaka vođenja u jednoj sklopnoj periodi TSW je:

2,,

2

211

rmsssaversso

T sw

ss

T sw

sso

T

ssssoswT

ssw

iRiudT

iRd

T

iu

diRiuT

dpT

P

swsw

swsw

Dobije se poznati izraz u kojem se pojavljuje srednja i efektivna vrijednost struje ventila.


Budući da različiti tipovi učinskih poluvodičkih ventila imaju različite ui karakteristike, slijede izrazi za srednju vrijednost gubitaka vođenja.

2,, rmsssaversso iRiu

2,rmsss iR

aversso iu ,

Za DIODU i TIRISTOR:

Za MOSFET (djeluje samo RDS(on)):

Za BJT i IGBT (djeluje samo UCES):

Documents

Osnovne sklopke