1 / 62

Aktivne i pasivne komponente

UČINSKA ELEKTRONIKA. Aktivne i pasivne komponente. Poluvodička sklopka Poluvodički ventil Povijesni razvoj Pregled vrsta ventila Modeli poluvodičkih ventila Odabir poluvodičkih ventila Modeli pasivnih komponenata Model transformatora. Ak. god. 2013/2014. Zagreb, 15.10.2013.

alissa
Télécharger la présentation

Aktivne i pasivne komponente

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. UČINSKA ELEKTRONIKA Aktivne i pasivne komponente Poluvodička sklopka Poluvodički ventil Povijesni razvoj Pregled vrsta ventila Modeli poluvodičkih ventila Odabir poluvodičkih ventila Modeli pasivnih komponenata Model transformatora Ak. god. 2013/2014 Zagreb, 15.10.2013.

  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. Električke (elektroničke) sklopke - nekada Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi nazivne struje 500 A. Desno je regulacijski uređaj. Upravljivi živin ispravljač u nazivnom pogonu. Vidi se curenje kondezirane žive u kondenzacijskom balonu. Vide se i priključci upravljačkih rešetki.

  9. Električke (elektroničke) sklopke - nekada Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi Upravljivi živin ispravljač u čeličnoj posudi (2000 A, 3000 V)

  10. Električke (elektroničke) sklopke - nekada Kontaktni slog u spoju sa srednjom točkom za pretvarače do 250 A. Kontaktni slog za 10000 A, 400 V.

  11. Električke (elektroničke) sklopke - nekada Mehanički pretvarač za 4000 A i 50 V: a) uklopne prigušnice, b) kontaktni slog, c) razvodni ormar (SSW, 1943.) Mehanički pretvarač: 200 A, 230 V (SSW, 1941.)

  12. Kada je započela era poluvodiča? Kako je Shockley dobio Nobelovu nagradu 1956. god.?

  13. Razvoj učinskih poluvodičkihventila Prva učinska poluvodička dioda 1954. god.

  14. Razvoj učinskih poluvodičkih ventila Ideja upravljivog učinskog poluvodičkog ventila – PNPN struktura. Članak je uredništvo primilo u svibnju 1956. god.

  15. Razvoj učinskih poluvodičkih ventila Dioda izrađena u laboratorijima Instituta za fiziku Sveučilišta u Zagrebu 1967. god. (naponske opteretivosti 1800 V i strujne opteretivosti 200 A). Lađica za legiranje i sendvič diode.

  16. Usporedba živinog ventila i tiristora Živin ventilTiristor Pad napona u stanju vođenja (V): 25 V 1,5 V Radna temperatura kućišta (°C ): 15…60 -40…80 Vrijeme oporavljanja (s): 300...400 30…400 Volumen sveden na jedinicu sklopne snage (dm3/MW): 2500 0,1

  17. Podjela poluvodičkih ventila I tako se razvila velika porodica poluvodičkih ventila:

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

  19. Osnovne strukture poluvodičkih ventila Učinskih poluvodičkih ventila ima oko pedeset različitih vrsta. Treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) javljaju kombinacije ovih šest osnovnih struktura.

  20. Raspon snaga poluvodičkih ventila Primjerice: Visokofrekvencijske diode GTO tiristori 4500 V, 3000 A za elektromotorne pogone u vuči Mrežne i frekvencijske diode i tiristori Tiristori 8000 V, 1200 A odn. 5500 V, 2600 A za istosmjerene veleprijenose i statičke kompenzatore jalove snage

  21. Izbor iz proizvodnog programa tvrtke SEMIKRON

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

  23. Kućišta i rashladna tijela poluvodičkih ventila Rashladna tijela za jednostrano i dvostrano hlađenje poluvodičkih ventila. Diode i tiristori oblika hokejske pločice i zaliveni moduli.

  24. Problem odvođenja topline iz silicijske pločice Primjerice, u diodi opterećene konstantnom strujom 1000 A nastaju gubici oko 1200 W (uzet je pad napona 1,2 V; promjer silicijske pločice takve diode je oko 50 mm). Ako je granična temperatura silicijske pločice 160 °C, a temperatura kućišta 80 °C, onda je za odvođenje topline na raspolaganju temperaturna razlika od svega 80 °C. Toplinski otpor između silicijske pločice i kućišta ne smije biti veći od 80/1200 = 0,07 K/W! Silicijske pločice poluvodičkih ventila

  25. Radna područja poluvodičkih sklopki

  26. Modeli učinskih poluvodičkih ventila, pasivnih i magnetskih komponenata Nazivlje: U nazivlju treba razlikovati realni od idealnog svijeta (u dosta slučajeva nema posebnog naziva za pojmove u realnom i idealnom svijetu. Zato se dodaje pridjev ‘realni’ ili ‘idealni’). Realni svijetIdealni svijet komponenta element otpornik otpor kondenzator kapacitet prigušnica induktivitet transformator savršeni transformator, idealni transformator dioda idealna dioda tranzistor idealni tranzistor priključak pristup

  27. 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

  28. 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

  29. 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.

  30. Geitom isklopivi tiristor – GTO tiristor (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

  31. 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

  32. 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

  33. 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

  34. 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:

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

  36. 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.

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

  38. 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

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

  40. Hidraulička analogija diodne i tiristorske strukture Analogija diodne strukture Analogija tiristorske strukture Kada se jednom izvuče zapor, više se ne može zaustaviti tok.

  41. Hidraulička analogija tranzistorske strukture Upotrebom relativno male sile, može se zaklopka postaviti u bilo koji položaj.

  42. Odabir poluvodičkih ventila (I. primjer) Zadatak: Odabir sklopki kojima se ostvaruje željena funkcija pretvarača. Pretvaračka topologija tako spojena s vanjskim sustavima i tako upravljana da omogućuje funkciju ispravljanja.

  43. Odabir poluvodičkih ventila (I. primjer) Sve četiri sklopke su ravnopravne, pa je dovoljno razmatrati samo jednu sklopku. Metoda odabira: – nacrtati naponsko-strujne odnose na sklopci, – identificirati naponsko i strujno naprezanja sklopke, – identificirati sklopne karakteristike.

  44. Odabir poluvodičkih ventila (I. primjer) Naponsko-strujno odnosi Naponsko-strujno naprezanje: - jedan polaritet napona, - jedan smjer struje. Sklopne karakteristike: - uklapa kada napon mijenja polaritet, - isklapa kada struja padne na nulu.

  45. Odabir poluvodičkih ventila (I. primjer) Ispravljački spoj s diodama umjesto sa sklopkama: a) usmjerenje dioda u krugu daje pozitivni ud, b) usmjerenje dioda u krugu daje negativni ud.

  46. Odabir poluvodičkih ventila (II. primjer) Zadatak: Odabir sklopki kojima se ostvaruje željena funkcija pretvarača. Spoj istosmjernog pretvarača. Pretvaračka topologija tako spojena s vanjskim sustavima i tako upravljana da omogućuje funkciju istosmjerne pretvorbe.

  47. Odabir poluvodičkih ventila (II. primjer) Pojednostavnjena topologija istosmjernog pretvarača. Pojednostavnjenje topologije rezultira smanjenjem područja namještanja izlaznog napona 0<U2<U1.

  48. Odabir poluvodičkih ventila (II. primjer) Uočite: P- i N-kontakti tvore preklopku. Metoda odabira: – nacrtati naponsko-strujne odnose na sklopci, – identificirati naponsko i strujno naprezanja sklopke, – identificirati sklopne karakteristike. P-sklopka je tranzistor. N-sklopka je dioda.

  49. Modeli pasivnih komponenata Otpornik Prigušnica - uvjet periodičnog načina rada Kondenzator - uvjet periodičnog načina rada Dobro je uvijek na jednak način označavati polaritet napona i smjer struje na elementima i pamtiti formule koje povezuju tako označene napone i struje. To su tehničke rutine.

  50. Modeli otpornika na višim frekvencijama Nadomjesna shema žičanog otpornika Nadomjesna shema metal-film otpornika

More Related