dr inż. Łukasz Starzak

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) 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 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 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 12

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 Zalety Wady niektóre wzmacniacze niektóre stabilizatory niski poziom zakłóceń proste sterowanie bardzo duże straty mocy p c,max : p c,min =0: Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 13

Układy o działaniu przełączającym (switched-mode) Sygnał sterujący zmienia się cyklicznie w sposób skokowy, przyjmując na przemian skrajne wartości Zalety na przemian pełne wyłączenie i załączenie przełączanie zmiana drogi przepływu, tj. przełączanie prądu do innej gałęzi, czy też przełączanie efektywnej topologii układu t cond cond t on t off b t b t on + t off Wady bardzo małe straty mocy (nawet rzędu <1%) cond b konieczność filtracji przebiegu użytecznego i zaburzeń cond b b 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 U i = 20 V U o = 10 V I o = 1 A R L = U o / I o = 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 T p (period) częstotliwość powtarzania f p (frequency) f p = 1 / T p czas trwania impulsu t p (pulse width) współczynnik wypełnienia D (duty cycle) D = t p / T p poziom niski X L (low level) poziom wysoki X H (high level) amplituda X m (amplitude) czas narastania t r (rise time) czas opadania t f (fall time) Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 18

Przykład cd. Założenia dodatkowe f s = f p = 100 khz T s = 10 µs D = 0,5 t p = 0,5 T p = 5 µs Parametry tranzystora jako łącznika U on = 1 V I off = 0 A t r(sw) = t f(sw) = 0,5 µs η = 0,92 Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 19