Przyrządy półprzewodnikowe mocy Mechatronika, studia

Przyrządy półprzewodnikowe mocy
Mechatronika, studia niestacjonarne, sem. 5
zima 2015/16
dr inż. Łukasz Starzak
Politechnika Łódzka
Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych
http://www.dmcs.p.lodz.pl/
ul. Wólczańska 221/223 bud. B18 pok. 51
http://neo.dmcs.p.lodz.pl/~starzak
http://neo.dmcs.p.lodz.pl/ppmh
Program zajęć
●
Wykład (6h)
1. Przetwarzanie energii elektrycznej za pomocą układów elektronicznych
2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy
przyrządów półprzewodnikowych
3. Sterowanie i bezpieczna praca przyrządów półprzewodnikowych mocy
●
Laboratorium (4×2h)




●
Zaliczenie (1h)


●
A1. Dynamika diod mocy
3A. Tranzystor MOSFET mocy
4A. Dynamika tranzystora IGBT
5A. Wysokonapięciowy tranzystor BJT;
Porównanie charakterystyk statycznych tranzystorów mocy
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
2
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
3
Część 1
Przetwarzanie energii elektrycznej za pomocą
układów elektronicznych
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16
4
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
5
Elektronika w mechatronice
●
Mikroelektronika (układy scalone)




●
realizacja sterowania (regulacja)
▶ generacja sygnałów
sterujących dla nastawników
▶ przetwarzanie sygnałów
(informacji)
czujniki
miniaturyzacja
▶ układy mikro-elektromechaniczne (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
6
Blok
„Systemy elektroniczne w mechatronice”
●
Od najniższego do najwyższego stopnia abstrakcji



●
sem. 5
Przyrządy półprzewodnikowe mocy
6W+9L
elementy wykonawcze
sem. 6
Elektroniczne układy sterowania nastawników
6W+12L
układy wykonawcze
sem. 7
Systemy sterowania w elektronice przemysłowej
6W+12L
układy sterujące
Komputerowe narzędzia projektowania

sem. 8
Komputerowe wspomaganie projektowania systemów elektronicznych
6W+12L
projektowanie układów
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16
7
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
8
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
9
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
10
Moc chwilowa i czynna
Sprawność:
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16
11
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


●
Przekształtniki AC-DC

●
falowniki
Przekształtniki DC-DC

●
prostowniki
Przekształtniki DC-AC

●
sterowniki prądu przemiennego
przemienniki częstotliwości
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
12
Układy o działaniu ciągłym (linear mode)
●
Definicja


●
Obecne zastosowania


●
niektóre wzmacniacze
niektóre stabilizatory
Zalety


●
punkt pracy w centralnej części
charakterystyki stanu
przewodzenia
sygnały sterujące nie przyjmują
wartości skrajnych, tzn.
doprowadzających do pełnego
wyłączenia ani pełnego
załączenia
niski poziom zakłóceń
proste sterowanie
Wady

bardzo duże straty mocy
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16
pc,max:
pc,min=0:
13
Układy o działaniu przełączającym (switched-mode)
●
Sygnał sterujący zmienia się
cyklicznie w sposób skokowy,
przyjmując na przemian skrajne
wartości


●
∆ton
na przemian pełne wyłączenie i
załączenie – przełączanie
zmiana drogi przepływu, tj.
przełączanie prądu do innej
gałęzi, czy też przełączanie
efektywnej topologii układu
∆toff
∆tb
Zalety

●
∆tcond
cond
∆ton+∆toff
bardzo małe straty mocy
(nawet rzędu <1%)
cond
Wady

b
konieczność filtracji
przebiegu użytecznego
i zaburzeń
b
b
b
cond
b
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16
14
Przyrząd półprzewodnikowy jako łącznik
idealny i rzeczywisty
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16
15
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
16
Przykład – układ obniżający napięcie
Przekształtnik elektromechaniczny
Założenia
Ui = 20 V
Uo = 10 V
Io = 1 A → RL = Uo / Io = 10 Ω
η = 0,5
Przekształtnik elektroniczny
o działaniu ciągłym
Przekształtnik elektroniczny
o działaniu przełączającym
η = 0,5
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16
17
Parametry przebiegów impulsowych
• okres powtarzania Tp (period)
• częstotliwość powtarzania fp
(frequency)
f p = 1 / Tp
• czas trwania impulsu tp
(pulse width)
• współczynnik wypełnienia D
(duty cycle)
D = t p / 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 półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16
18
Przykład – cd.
Założenia dodatkowe
fs = fp = 100 kHz
Ts = 10 µs
D = 0,5 → tp = 0,5 ∙ Tp = 5 µs
Parametry tranzystora
jako łącznika
Uon = 1 V
Ioff = 0 A
tr(sw) = tf(sw) = 0,5 µs
η = 0,92
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16
19