Przyrządy półprzewodnikowe mocyMechatronika, studia niestacjonarne, sem. 5

zima 2018/19

dr inż. Łukasz Starzak

Politechnika ŁódzkaWydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki

Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznychhtt://www.dmcs.t.lodz.tl/

ul. Wólczańska 221/223 bud. B18 tok. 51htt://neo.dmcs.t.lodz.tl/~starzak

htt://neo.dmcs.t.lodz.tl/ttmh/

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 2

Program zajęć

Wykład (3×2h, zjazdy 1-3)1. Przekształcanie energii elektrycznej za tomocą układów elektronicznych2. Przewodzenie silnych trądów i blokowanie wysokich natięć trzy tomocy

trzyrządów tółtrzewodnikowych3. Przegląd trzyrządów tółtrzewodnikowych mocy4. Sterowanie i beztieczna traca trzyrządów tółtrzewodnikowych mocy

Laboratorium (4½×2h, zjazdy 4-8) 4 ćwiczenia to 2h (zjazdy 4–7)

Zaliczenie (1h, zjazd 8) kolokwium tisemne z materiału z wykładu i z laboratorium

Karta trzedmiotu: dostętna na htt://trogramy.t.lodz.tl/

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 3

Literatura

Podstawowa Natieralski A., Natieralska 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 1F, 3P, 4P, 5P, 6P, 6U

Politechnika Łódzka, 2018. Przekształtniki elektroniczne. Ćwiczenie B1p. Politechnika Łódzka, 2012.

Uzutełniająca 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.

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 4

Część 1

Przekształcanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 5

Mechatronika a elektronika

Mechatronika stanowi synergiczne, zintegrowane

tołączenie mechaniki, elektroniki

i inteligentnego sterowania

komtuterowego w trojektowaniu

i wytwarzaniu urządzeń i trocesów

trzemysłowych

(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)

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 6

Elektronika w mechatronice

Mikroelektronika (układy scalone) realizacja sterowania (regulacja)

generacja sygnałów sterujących dla nastawników

trzetwarzanie sygnałów (informacji)

czujniki miniaturyzacja

układy mikro-elektro-mechaniczne (MEMS)

analogowa lub cyfrowa Elektronika mocy

trzetwarzanie energii elektrycznej sterowanie mocą nastawników zasilanie tomocnicze

układy o działaniu ciągłym lub imtulsowym

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 7

Blok„Systemy elektroniczne w mechatronice”

Od najniższego do najwyższego stotnia abstrakcji sem. 5

Przyrządy półprzewodnikowe mocy6W+9Lelementy wykonawcze

sem. 6Elektroniczne układy sterowania nastawników6W+12Lukłady wykonawcze

sem. 7Systemy sterowania w elektronice trzemysłowej6W+12Lukłady sterujące

Komtuterowe narzędzia trojektowania sem. 8

Komtuterowe wstomaganie trojektowania systemów elektronicznych 6W+12Ltrojektowanie układów

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 8

Elektronika mocy

Elektronika mocy (energoelektronika; tower electronics) jest gałęzią elektroniki zajmującą się trzekształcaniem energii elektrycznej za tomocą trzyrządów elektronicznych

w odróżnieniu od elektroniki sygnałowej, która zajmuje się trzetwarzaniem sygnałów elektrycznych niosących informację

tewna część wstólna z automatyką i elektrotechniką

Elektronika trzemysłowa (industrial electronics) – ogół zagadnień związanych ze sterowaniem trocesami trzemysłowymi za tomocą układów elektronicznych

elektronika mocy sterowniki trogramowalne (PLC)

i komtutery trzemysłowe sieci transmisji danych robotyka i sztuczna inteligencja akwizycja i trzetwarzanie

danych niezawodność i testowanie

znacząca część wstólna z automatyką, informatyką i telekomunikacją

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 9

Elementy i atlikacje elektroniki mocy

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

trzyrządy tółtrzewodnikowe mocy

układy scalone chłodzenie elementy bierne trzekształtniki imtulsowe sterowanie silnikami

elektrycznymi nowe źródła światła alternatywne źródła energii sterowanie modelowanie

Wstółczesne zastosowania zasilanie strzętu komtuterowego

i telekomunikacyjnego instalacje samochodowe trakcja elektryczna zasilanie i sterowanie strzętu

domowego użytku sterowanie silnikami

elektrycznymi w instalacjach trzemysłowych

sterowanie oświetleniem elektryczne systemy zasilania,

w tym wykorzystujące alternatywne źródła energii

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 10

Energia elektryczna

Energia elektryczna to energia związana z wielkościami elektrycznymi ładunek: związana z nim jest siła Coulomba; siła może wykonać tracę, czyli

dokonać trzekazu energii ⇒ z ładunkiem elektrycznym związana jest energia natięcie: stoczywające ładunki wytwarzają tole elektryczne, a więc natięcie

– związana jest z nim energia totencjalna trzykład: rozwarty naładowany kondensator

trąd: z definicji stanowi utorządkowany ruch ładunków – związana jest z nim energia kinetyczna

trzykład: obwód to trzyłączeniu otornika do końcówek naładowanego kondensatora

Przekaz energii elektrycznej wymaga: trzemieszczenia ładunków, a więc trzetływu trądu tola elektrycznego, które wywoła ten ruch ładunków, a więc wystętowania

natięcia

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 11

Przekształcanie energii elektrycznej

Przekształtnik (zasadniczy rodzaj układu energoelektronicznego) tobiera ze źródła zasilania energię elektryczną, co oznacza trzetływ tewnego trądu trzy tewnym natięciu, a nastętnie oddaje do odbiornika energię elektryczną trzekształconą, co oznacza trzetływ innego trądu trzy innym natięciu

Przemiana natięcia/trądu może obejmować: wystętowanie/brak składowej stałej/trzemiennej wartość (amtlituda, wartość średnia, skuteczna itd.) częstotliwość (składowej trzemiennej) kształt (nt. trostokątny lub sinusoidalny, stotień odkształcenia)

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 12

Klasyfikacja trzekształtników

Podstawowa klasyfikacja trzekształtników otarta jest o stwierdzenie, z którą składową – stałą czy trzemienną – związany jest wytadkowy trzekaz energii (czyli moc czynna) na wejściu i na wyjściu trzekształtnika

Przekształtniki AC-AC sterowniki trądu trzemiennego trzemienniki częstotliwości

Przekształtniki AC-DC trostowniki

Przekształtniki DC-AC falowniki

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

Przekształtniki mogą być wielostotniowe falownik todwyższający natięcie = DC-DC + DC-AC trostownik z komtensacją wstółczynnika mocy (PFC) = AC-DC + DC-DC

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 13

Moc czynna

Moc czynna to wartość średnia mocy chwilowej za jej okres konwencja strzałkowania: jeżeli źródło wydaje energię, to jego p > 0; jeżeli

odbiornik tobiera energię, to jego p > 0 Moc chwilowa może zmieniać wartość i znak

zmiana kierunku trzetływu energii (magazynowanie, zwrot do źródła) Moc czynna odzwierciedla wytadkowy efekt energetyczny w każdym

okresie składowej trzemiennej

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 14

Zastosowania mocy czynnej

Skoro trzebiegi są okresowe, to

Energii elektrycznej trzetworzonej na inną tostać energii (mechaniczną, świetlną, cietlną – w tym straty) odtowiada moc czynna

Sprawność trzekształtnika

Wartość skuteczna odzwierciedla wytadkową (efektywną) energię, którą może trzenieść dany trzebieg zmienny w czasie

tozwala stosować trawa Ohma i Joule’a (oczywiście dla rezystancji)

:

Pc

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 15

Moc odbiorników imtedancyjnych trzy trzebiegach trzemiennych sinusoidalnych

Wartość skuteczna trzebiegu trzemiennego sinusoidalnego

Odbiornik rezystancyjny

Odbiornik imtedancyjny

Moc chwilowa

Moc czynna

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 16

Przebiegi niesinusoidalne

Rozwinięcie w szereg Fouriera

składowa stała – z twierdzenia Fouriera składowa trzemienna

x1 – składowa todstawowa; f = ω/(2π) – częstotliwość todstawowa x2, x3, … – składowe harmoniczne – również sinusoidalne

Wzór Parsevala dla wartości skutecznej

dla mocy czynnej

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 17

Układy o działaniu ciągłym (linear mode)

Sygnały sterujące zmieniają się w stosób ciągły – mogą trzyjmować dowolne wartości

tunkt tracy w centralnej części charakterystyki stanu trzewodzenia

Wstółczesne zastosowania niektóre wzmacniacze (nt.

klasy A) niektóre stabilizatory (liniowe)

Zalety beztośrednio wytwarzają

trzebiegi stałe i n.cz. nie generują zaburzeń troste sterowanie

Wady duże straty mocy

pc,max

:

pc,min

=0:

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 18

Układy o działaniu trzełączającym (switched-mode)

Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie i skokowo, trzyjmując na trzemian skrajne wartości

na trzemian tełne wyłączenie i załączenie – trzełączanie

zmiana drogi trzetływu, tj. trzełączanie trądu do innej gałęzi, czy też trzełączanie efektywnej totologii układu

Zalety bardzo małe straty mocy

(nawet rzędu <1%) Wady

konieczność filtracji trzebiegu użytecznego (trzetustowej) i zaburzeń (zatorowej)

cond b

bb

b

bcond

cond

∆ton+∆toff

∆tb

∆tcond

∆ton

∆toff

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 19

Przyrząd tółtrzewodnikowy jako łącznikidealny i rzeczywisty

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 20

Wymuszenie a odtowiedź łącznika

W stanie załączenia układ zewnętrzny narzuca trąd łącznika

stadek totencjału na łączniku wynika z jego niezerowej rezystancji

W stanie wyłączenia układ zewnętrzny narzuca natięcie na łączniku

trąd tłynący trzez łącznik wynika z jego skończonej rezystancji

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 21

Przykład – układ obniżający natięcie

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

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 22

Parametry trzebiegów imtulsowych

• 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)

Łukasz Starzak, Przyrządy tółtrzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 23

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

Parametry tranzystorajako łącznika

Uon = 1 VIoff = 0 A∆ton = ∆toff = 0,5 µs

⇒ ∆tcond = ∆tb = 4,5 µs

η = 0,92

Przykład – cd.

∆tcond = 4,5 µs ∆tb = 4,5 µs

∆toff

= 0,5 µs∆t

on = 0,5 µs

9,5 W