przyrządy półprzewodnikowe mocy mechatronika, studia
Post on 11-Jan-2017
225 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
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/
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 3
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.
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 4
Część 1
Przetwarzanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 5
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)
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 6
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 7
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 8
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 9
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 10
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)
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 12
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 13
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:
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 14
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 15
Przyrząd półprzewodnikowy jako łącznikidealny i rzeczywisty
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 16
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 17
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 18
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)
top related