FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Aktivne i pasivne komponente ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE Poluvodička sklopka Poluvodički ventil Povijesni razvoj Pregled vrsta ventila Modeli poluvodičkih ventila Modeli pasivnih komponenata Model transformatora Ak. god. 2009/2010 Zagreb, 15.12.2009.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU
Aktivne i pasivne komponente
ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE
Poluvodička sklopka
Poluvodički ventil
Povijesni razvoj
Pregled vrsta ventila
Modeli poluvodičkih ventila
Modeli pasivnih komponenata
Model transformatora
Ak. god. 2009/2010 Zagreb, 15.12.2009.
2
Na kraju ovog predavanja trebali biste znati:
• Opisati strukturu poluvodičke sklopke.
• Opisati gubitke poluvodičke sklopke.
• Nabrojati osnovne poluvodičke učinske ventile.
• Nacrtati idealne i idealizirane UI karakteristike poluvodičkih učinskih ventila.
• Nacrtati nadomjesne sheme i napisati matematičke modele pasivnih komponenata i transformatora.
15.12.2009.
Idealna elektronička sklopka
315.12.2009.
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
415.12.2009.
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
515.12.2009.
tiristorska sklopka ‐ poluvodička sklopka
tiristor ‐ poluvodički ventil
Poluvodički ventil
615.12.2009.
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
715.12.2009.
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.
Električke (elektroničke) sklopke ‐ nekada
815.12.2009.
Upravljivi živin ispravljač u nazivnom pogonu. Vidi se curenje kondezirane žive u kondenzacijskom balonu. Vide se i priključci upravljačkih rešetki.
Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi nazivne struje 500 A.Desno je regulacijski uređaj.
Električke (elektroničke) sklopke ‐ nekada
915.12.2009.
Kontaktni slog u spoju sa srednjom točkom za pretvarače do 250 A.
Kontaktni slog za 10000 A, 400 V.
Kada je započela era poluvodiča? Kako je Shockley dobio Nobelovu nagradu 1956. god.?
1015.12.2009.
Razvoj učinskih poluvodičkih ventila
1115.12.2009.
Prva učinska poluvodička dioda 1954. god. (1200 W).
Ideja upravljivog učinskog ventila ‐ tiristorska PNPN struktura 1956. god.
Primjerice: 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.
Usporedba živinog ventila i tiristora
1215.12.2009.
Živin ventil Tiristor
Pad napona u stanju vođenja (V): 25 V 1,5 V
Radna temperatura kućišta (°C ): 15…60 ‐40…80
Vrijeme oporavljanja (μs): 300...400 30…400
Volumen sveden na jedinicusklopne snage (dm3/MW): 2500 0,1
Podjela poluvodičkih ventila
1315.12.2009.
I tako se razvila velika porodica poluvodičkih ventila:
Osnovne vrste današnjih poluvodičkih ventila
1415.12.2009.
Ne postoji poluvodički ventil koji ima sva svojstva idealne mehaničke sklopke.
Problem odvođenja topline iz silicijske pločice
1513.2.2009
Primjerice, u diodi opterećene konstantnom strujom od 1000 A nastaju gubici od oko 1200 W (uzet je pad napona od 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.
Temperaturni otpor između silicijske pločice i kućišta ne smije biti veći od 80/1200 = 0,07 K/W!
Silicijske pločice poluvodičkih ventila
Kućišta i rashladna tijela poluvodičkih ventila
1615.12.2009.
Rashladna tijela za jednostrano i dvostrano hlađenje poluvodičkih ventila.
Diode i tiristori oblika hokejske pločice i zaliveni moduli.
Izbor iz proizvodnog programa tvrtke SEMIKRON
1715.12.2009.
Osnovne strukture poluvodičkih ventila
1815.12.2009.
Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta.
Treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) može naći šest različitih struktura.
Radna područja poluvodičke sklopke
1915.12.2009.
Dioda
2015.12.2009.
• neupravljiva, jednokvadrantna sklopka
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K)
• preuzima negativni (zaporni) napon u stanju nevođenja
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.
Geitom isklopivi tiristor – GTO (engl. gate turn off thyristor)
2315.12.2009.
• 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)
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
2815.12.2009.
Primjer upotrebe dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke kod trofaznog izmjenjivača s naponskim ulazom.
Hibridna sklopka‐ naponski bipolarna
2915.12.2009.
Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT‐u ili MOSFET‐u) može se u seriju dodati dioda koja preuzima zaporni napon kojeg tranzistor ne bi mogao preuzeti.
Primjer upotrebe naponski bipolarne sklopke
3015.12.2009.
Primjer upotrebe dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke kod trofaznog izmjenjivača sa strujnim ulazom.
Modeli pasivnih komponenata
15.12.2009.
( ) ( )R
tuti RR =
Otpornik Prigušnica
‐ uvjet periodičnog načina rada
( ) ( )
( ) 0=
=
∫+
ττ di
dttduCti
Tt
tC
CC
Kondenzator
‐ uvjet periodičnog načina rada
( ) ( )
( ) 0=
=
∫+
ττ du
dttdiLtu
Tt
tL
LL
Modeli otpornika na višim frekvencijama
Nadomjesna shema metal‐film otpornika
Nadomjesna shema žičanog otpornika
15.12.2009.
Model kondenzatora na višim frekvencijama
Nadomjesna shema kondenzatora
Nadomjesni serijski otpor kondenzatora (ESR)
ESR (equivalent series resistance)
15.12.2009.
22
1CR
RESRleak
w ω+=
Model dvonamotnog transformatora (magnetski povezani induktiviteti)
Model dvonamotnog transformatora (magnetski povezani induktiviteti)
15.12.2009.
21
2
12
11
111
1212
221
111
22
1212
221
111
1
uNuLLu
dtdiL
dtdiLu
dtdiLLu
LLL
dtdiLu
dtdiL
dtdiLLu
dtdiLL
dtdiLu
⋅=
+−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=
+=
+=
2
1
LLN =gdje je :
Model dvonamotnog transformatora (magnetski povezani induktiviteti)
15.12.2009.
( ) ( ) ττττ duL
iN
iduLL
LLi
Ni
dtdiNu
LLdtdi
dtdi
LLu
LL
Ldtdi
dtdiL
dtdiLL
Nu
tt
∫∫∞−∞−
=+⇒=+
−=
−=
+⋅=
11
2111
2
2121
11
21
2
1
2
11
1
2
2
2
22
121
1
1111
1
1
0121
21
=+
⋅=
iN
i
uNu
Ako L1 →∞ i L2 →∞, a L1/L2 je konačan, savršeni transformator prelazi u idealni.
Modeli transformatora (I)
15.12.2009.
Modeli transformatora (II)
Dio napona se izgubi pri transformaciji
15.12.2009.
dtdiL
NLu
N
dtdiL
dtdiLu
dtdiL
Nu
dtdiLuu
iN
i
uNu
ll
llN
ll
222
1'1
22
11
'1
1
22
1222
'2
21
21
1
1
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +−=
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
=−=−=
⋅=
⋅= ili približno:
Primjerci transformatora
Većih snaga… …i manjih snaga.
15.12.2009.
Zapamtite
4013.2.2009
• Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička tj. poluvodička sklopka. Sastoji se od: jednog ili više poluvodičkih ventila, zaštite od prenapona i prekostruja, pobudnog (upravljačkog) stupnja i rashladnog tijela.
• Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje.
• Svaki poluvodički ventil ima gubitke: gubitke uklapanja, gubitke isklapanja i gubitke vođenja.
• Poluvodički ventili se dijele na neupravljive i upravljive.
• Osnovne prednosti poluvodičkih ventila su mali gubici i male dimenzije.