ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – UČINSKA ELEKTRONIKA POLUVODIČKE SKLOPKE I VENTILI OSNOVNI POJMOVI

1. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI – • UČINSKA ELEKTRONIKA • POLUVODIČKE SKLOPKE I VENTILI • OSNOVNI POJMOVI • PREGLED VRSTA • OSNOVNI SKLOPOVI S ISTOSMJERNIM I IZMJENIČNIM IZVOROM

2. Poluvodička sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od: − jednog ili više poluvodičkih ventila, − zaštite od prenapona i prekostruja, − pobudnog (upravljačkog) stupnja, − rashladnog tijela. Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje. Samostalno je inoperativna.

3. Elektronička (poluvodička) sklopka Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička sklopka. Jasno je da su inženjeri nastojali razviti elektroničku sklopku u svemu jednaku idealnojmehaničkoj električkoj sklopki (sklapa kod oba polariteta napona, vodi struju u oba smjera i nema gubitaka). sklopka otvorena: i(t) = 0 sklopka zatvorena: v(t) = 0 u oba slučaja: p(t) = i(t) v(t) = 0 Elektronička sklopka funkcionalno jednaka mehaničkoj sklopki je veoma složena (sastoji se od više elektroničkih ventila). Ipak, operativna cjelina koja ima samo neke funkcije mehaničke sklopke naziva se elektronička sklopka.

4. Poluvodički ventil To 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. IGBT

5. Svaki poluvodički ventil ima gubitke: gubitke uklapanja, gubitke isklapanja i gubitke vođenja. Primjerice, tijekom isklapanja diode, na diodi istodobno postoji napon i teče znatna struja (umnožak napona i struje daje vremenski tijek gubitaka): zaostali naboj Naponsko-strujno naprezanje diode tijekom isklapanja vrijeme oporavljanja

6. Ili, tijekom uklapanja tranzistora poteče struja prije nego je započelo opadanje napona: Naponsko-strujno naprezanje tranzistora tijekom uklapanja

7. Podjela električkih (poluvodičkih) ventila:

8. Osnovne vrste današnjih poluvodičkih ventila

9. Istosmjerni veleprijenosi Kompenzatori Elektrolize Vuča Neprekinuto napajanje Indukcijsko zagrijavanje Elektromotorni pogoni Visokofrekvencijsko zavarivanje Napajanje Gdje se upotrebljavaju poluvodički ventili?

10. Radna područja poluvodičkih sklopki struja u stanju vođenja Primjer jednokvadrantnog rada sklopke: ON - Stanje vođenja OFF - Stanje nevođenja napon u stanju nevođenja

11. iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski unipolarna) vOFF iON Dvokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski bipolarna) vOFF Radna područja poluvodičkih sklopki Dvokvadrantna sklopka (strujno dvosmjerna, naponski unipolarna) iON vOFF iON Četverokvad-rantna sklopka (strujno dvosmjerna, naponski bipolarna) vOFF

12. iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski jednopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila - DIODA • neupravljiva, jednokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K), • preuzima nagativni (zaporni) napon u stanju nevođenja, • sklopno stanje ovisi samo o struji i/ili naponu na stezaljkama A i K A K

13. iON Dvokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski dvopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila - TIRISTOR • (polu)upravljiva, samo uklopiva, 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 pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja A K G

14. iON Dvokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski dvopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila – GTO (geitom isklopiv tiristor) (engl. gate turn off thyristor, GTO) • 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 pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja • isklapa pomoću negativnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) A K G

15. iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski jednopolna) vOFF Modeli poluvodičkih ventila – BJT (bipolarni tranzistor) (engl. bipolar junction transistor) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom smjeru • preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog strujnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (bazi) C B E

16. Modeli poluvodičkih ventila – IGBT (bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom) iON Jednokvadrantna sklopka (strujno jednosmjerna, naponski jednopolna) vOFF (engl. insulated gate bipolar transistor) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka, • vodi struju u jednom smjeru • preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, samo neki tipovi IGBT-a mogu preuzeti negativni (zaporni) napon • uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa D (C) G S (E)

17. Modeli poluvodičkih ventila – MOSFET (MOS tranzistor s efektom polja) (engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) • upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka, • vodi struju u dva smjeru (u jednom FET u drugom ugrađena dioda), • preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, • uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa D G S

18. U primjenama često trebamo strujno dvosmjernu sklopku, možemo je ostvariti kombinacijom ventila C Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u) možemo dodati povratnu diodu. B E Ukoliko nas dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET-a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće

19. Primjer za primjenu dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke je kod izmjenjivača s naponskim ulazom.

20. U primjenama može zatrebati i strujno jednosmjerna sklopka, a naponski bipolarna sklopka koju također možemo ostvariti kombinacijom ventila Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u ili MOSFET-u) možemo u seriju dodati diodu koja preuzima napon kojeg tranzistor ne bi mogao preuzeti. B (dioda preuzima napon) (tranzistor preuzima napon) E

21. Primjer za primjenu dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke je kod izmjenjivača sa strujnim ulazom.

22. Idealni nadomjestak za mehaničku sklopku je četverokvadrantna električka sklopka, koja se na različite načine može ostvariti kombinacijom poluvodičkih ventila • upravljiva, uklopiva i isklopiva, četverokvadrantna sklopka, • vodi struju u dva smjeru i preuzima napon u dva smjera, • uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi, isklapa nakon uklanjanja tog impulsa

23. Primjer za primjenu četverokvadrantne sklopke je kod matričnih pretvarača. Svi naponi i struje su izmjenični, sklopke moraju biti četverokvadrantne. Potrebno je 9 takvih sklopki.

24. OSNOVNI SKLOP UČINSKE ELEKTRONIKE S ISTOSMJERNIM IZVOROM Idealizirani valni oblici tijekom rada sklopke: a) pojednostavnjeni induktivni sklop s porednom diodom, b) valni oblici struje i napona sklopke (vT, iT), c) valni oblik trenutačnih gubitaka na sklopki pT .

25. Načelo modulacije širine impulsa (PWM)

26. Načelo upravljanja istosmjernim pretvaračima modulacija širine impulsa (PWM)

27. OSNOVNI SKLOP UČINSKE ELEKTRONIKE S IZMJENIČNIM IZVOROM Poluvalni diodni ispravljač i karakteristični valni oblici uz djelatno trošilo

28. OSNOVNI SKLOP UČINSKE ELEKTRONIKE S IZMJENIČNIM IZVOROM FAZNO UPRAVLJANJE Poluvalni tiristorski ispravljač i karakteristični valni oblici uz djelatno trošilo