Przyrządy półprzewodnikowe mocy Mechatronika, studia

Przyrządy półprzewodnikowe mocyMechatronika, studia niestacjonarne, sem. 5

zima 2015/16

dr inż. Łukasz Starzak

Politechnika ŁódzkaWydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki

Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznychhttp://www.dmcs.p.lodz.pl/

ul. Wólczańska 221/223 bud. B18 pok. 51http://neo.dmcs.p.lodz.pl/~starzak

http://neo.dmcs.p.lodz.pl/ppmh

http://www.dmcs.p.lodz.pl/

http://neo.dmcs.p.lodz.pl/~starzak

http://neo.dmcs.p.lodz.pl/ppmh

Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 2

Program zajęć

Wykład (6h)1. Przetwarzanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy

przyrządów półprzewodnikowych3. Sterowanie i bezpieczna praca przyrządów półprzewodnikowych mocy

Laboratorium (4×2h) A1. Dynamika diod mocy 3A. Tranzystor MOSFET mocy 4A. Dynamika tranzystora IGBT 5A. Wysokonapięciowy tranzystor BJT;

Porównanie charakterystyk statycznych tranzystorów mocy Zaliczenie (1h)

kolokwium z materiału z wykładu i laboratorium termin do ustalenia

Karta przedmiotu: dostępna na http://programy.p.lodz.pl/

http://programy.p.lodz.pl/


Literatura

Podstawowa Napieralski A., Napieralska M.: Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej

mocy. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1995. Starzak Ł.: Laboratorium przyrządów i układów mocy. Instrukcja 0.

Wprowadzenie do elektroniki mocy. Politechnika Łódzka, 2015. Laboratorium przyrządów i układów mocy. Ćwiczenie 1, 3A, 4A, 5A, 6.

Politechnika Łódzka, 2011–2015. Uzupełniająca

Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1998.

Marciniak W.: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1984.

Benda V., Gowar J., Grant D.A.: Power Semiconductor Devices: Theory and Applications. Chichester: Wiley, 1999.

Sze S.M., Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices. Chichester: Wiley, 2006.


Część 1

Przetwarzanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych


Mechatronika a elektronika

Mechatronika stanowi synergiczne, zintegrowane

połączenie mechaniki, elektroniki

i inteligentnego sterowania

komputerowego w projektowaniu

i wytwarzaniu urządzeń i procesów

przemysłowych

(Harshama, F., Tomizuka, M., and Fukuda, T., “Mechatronics—What is it,

why, and how?—an editorial,” IEEE/ASME Trans. on Mechatr., Vol. 1,

No. 1, 1996)


Elektronika w mechatronice

Mikroelektronika (układy scalone) realizacja sterowania (regulacja)

generacja sygnałów sterujących dla nastawników

przetwarzanie sygnałów (informacji)

czujniki miniaturyzacja

układy mikro-elektro-mechaniczne (MEMS)

analogowa lub cyfrowa Elektronika mocy

przetwarzanie energii elektrycznej sterowanie mocą nastawników zasilanie pomocnicze

układy o działaniu ciągłym lub impulsowym


Blok„Systemy elektroniczne w mechatronice”

Od najniższego do najwyższego stopnia abstrakcji sem. 5

Przyrządy półprzewodnikowe mocy6W+9Lelementy wykonawcze

sem. 6Elektroniczne układy sterowania nastawników6W+12Lukłady wykonawcze

sem. 7Systemy sterowania w elektronice przemysłowej6W+12Lukłady sterujące

Komputerowe narzędzia projektowania sem. 8

Komputerowe wspomaganie projektowania systemów elektronicznych 6W+12Lprojektowanie układów


Gałęzie elektroniki poruszane na tym bloku

Elektronika mocy (energoelektronika; power electronics) jest gałęzią elektroniki obejmującą kontrolowane przekazywanie i przekształcanie energii elektrycznej z użyciem systemów, układów, podzespołów i przyrządów elektronicznych

pewna część wspólna z automatyką i elektrotechniką

Elektronika przemysłowa (industrial electronics) – ogół zagadnień związanych ze sterowaniem procesami przemysłowymi za pomocą układów elektronicznych

elektronika mocy sterowniki programowalne (PLC)

i komputery przemysłowe sieci transmisji danych robotyka i sztuczna inteligencja akwizycja i przetwarzanie

danych niezawodność i testowanie

znacząca część wspólna z automatyką, informatyką i telekomunikacją


Elementy i aplikacje elektroniki mocy

10 kluczowych zagadnień wg Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE)

przyrządy półprzewodnikowe mocy

układy scalone chłodzenie elementy bierne przekształtniki impulsowe sterowanie silnikami

elektrycznymi nowe źródła światła alternatywne źródła energii sterowanie modelowanie

Współczesne zastosowania zasilanie sprzętu komputerowego

i telekomunikacyjnego instalacje samochodowe trakcja elektryczna zasilanie i sterowanie sprzętu

domowego użytku sterowanie silnikami

elektrycznymi w instalacjach przemysłowych

sterowanie oświetleniem elektryczne systemy zasilania,

w tym wykorzystujące alternatywne źródła energii


Przetwarzanie energii elektrycznej

Przekształtnik pobiera ze źródła zasilania energię elektryczną, co oznacza przepływ pewnego prądu przy pewnym napięciu, a następnie oddaje do odbiornika energię elektryczną przekształconą, co oznacza przepływ innego prądu przy innym napięciu

Przemiana napięcia/prądu: występowanie lub brak składowej stałej i przemiennej amplitudę, wartość średnią, skuteczną itd. częstotliwość (składowej przemiennej) kształt (np. prostokątny lub sinusoidalny, stopień odkształcenia)


Moc chwilowa i czynna

Sprawność:


Klasyfikacja przekształtników

Podstawowa klasyfikacja przekształtników oparta jest o stwierdzenie, z którą składową – stałą czy przemienną – związany jest wypadkowy przekaz energii (czyli moc czynna) na wejściu i na wyjściu przekształtnika

Przekształtniki AC-AC sterowniki prądu przemiennego przemienniki częstotliwości

Przekształtniki AC-DC prostowniki

Przekształtniki DC-AC falowniki

Przekształtniki DC-DC przetwornice, w tym: dławikowe, transformatorowe, rezonansowe

Przekształtniki mogą być wielostopniowe falownik podwyższający napięcie = DC-DC + DC-AC prostownik z kompensacją współczynnika mocy (PFC) = AC-DC + DC-DC


Układy o działaniu ciągłym (linear mode)

Definicja punkt pracy w centralnej części

charakterystyki stanu przewodzenia

sygnały sterujące nie przyjmują wartości skrajnych, tzn. doprowadzających do pełnego wyłączenia ani pełnego załączenia

Obecne zastosowania niektóre wzmacniacze niektóre stabilizatory

Zalety niski poziom zakłóceń proste sterowanie

Wady bardzo duże straty mocy

pc,max

:

pc,min

=0:


Układy o działaniu przełączającym (switched-mode)

Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie w sposób skokowy, przyjmując na przemian skrajne wartości

na przemian pełne wyłączenie i załączenie – przełączanie

zmiana drogi przepływu, tj. przełączanie prądu do innej gałęzi, czy też przełączanie efektywnej topologii układu

Zalety bardzo małe straty mocy

(nawet rzędu <1%) Wady

konieczność filtracji przebiegu użytecznego i zaburzeń

cond b

bb

b

bcond

cond

∆ton+∆toff

∆tb

∆tcond

∆ton

∆toff


Przyrząd półprzewodnikowy jako łącznikidealny i rzeczywisty


Wymuszenie a odpowiedź łącznika

Stan załączenia układ zewnętrzny narzuca prąd łącznika

spadek potencjału na łączniku wynika z jego niezerowej rezystancji

Stanie wyłączenia układ zewnętrzny narzuca napięcie na łączniku

prąd płynący przez łącznik wynika z jego skończonej rezystancji


Przykład – układ obniżający napięcie

Przekształtnik elektromechaniczny

Przekształtnik elektronicznyo działaniu ciągłym

Przekształtnik elektronicznyo działaniu przełączającym

ZałożeniaUi = 20 VUo = 10 VIo = 1 A → RL = Uo / Io = 10 Ω

η = 0,5

η = 0,5


Parametry przebiegów impulsowych

• okres powtarzania Tp (period)• częstotliwość powtarzania fp

(frequency)fp = 1 / Tp

• czas trwania impulsu tp (pulse width)

• współczynnik wypełnienia D (duty cycle)

D = tp / Tp

• poziom niski XL (low level) • poziom wysoki XH (high level)• amplituda Xm (amplitude)

• czas narastania tr (rise time)• czas opadania tf (fall time)


Założenia dodatkowefs = fp = 100 kHzTs = 10 µsD = 0,5 → tp = 0,5 ∙ Tp = 5 µs

Parametry tranzystorajako łącznika

Uon = 1 VIoff = 0 Atr(sw) = tf(sw) = 0,5 µs

η = 0,92

Przykład – cd.

Documents

Przyrządy półprzewodnikowe mocy Mechatronika, studia