Pasivní prvky pro výkonovou elektroniku

Pasivní prvky pro výkonovou elektroniku Přednášky – Výkonová elektronika

Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

pasivní součástky pro výkonovou elektroniku

Pasivní součástky ve výkonové elektronice – – – –

rezistory, kapacitory, induktory a transformátory nezbytně doplňují obvody VE, případná integrace ve složitějších polovodičových prvcích specifické vlastnosti • • • •

vyšší nároky na tepelné vlastnosti - odolnost nízké hodnoty parazitních prvků v náhradních obvodech široký rozsah parametrů montáž – od povrchové montáže pro několikatunové celky

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

2


Rezistory pro výkonovou elektroniku – Rezistor v obvodu výkonové elektroniky • součástka/parazitní prvek v náhradním obvodu • lineární prvek – platí Ohmův zákon 𝑢 = 𝑅 ⋅ 𝑖

– Aplikace rezistorů • zmenšení jakosti rezonančních obvodů – omezení U/I špiček • převod elektrické energie na tepelnou (nebo jinou – světelnou) spotřebiče – topná tělesa • omezení vybíjecích proudů u kondenzátorů • měřící převodníky – (proud/napětí - bočník – měření proudu) • dělič napětí, dělič proudu • tavné pojistky

– Negativní důsledky použití rezistorů v měniči: • snížení celkové účinnosti • zdroj tepla (vliv na okolní prvky)


3


• parametry reálných rezistorů – – – –

sériově vyráběné/vyráběné na zakázku odpor nominální/reálný (tolerance), řada jmen. hodnot – E6, E12, E24, E48,… závislost odporu na teplotě α, β - 𝑅 𝜗 = 𝑅0 1 + 𝛼𝜗 + 𝛽𝜗 2 povolený ztrátový výkon • trvalý jmenovitý 𝑃𝑁 , pulsní (pro rychlý periodický průběh vyhovuje střední výkon) • krátkodobé – nepřekročení max. teploty, určení tepelné kapacity rezistoru.

– maximální povolené napětí • trvalé (podle max. středního výkonu) 𝑈max =

𝑅𝑁 𝑃𝑎𝑣

• pulzní – omezené konstrukcí, bývá uváděno

– maximální teplota • stanovena výrobcem • ohled na okolí rezistorů – spoje pájené měkkou pájkou, konstrukční materiály

– náhradní schéma – vliv parazitních prvků (indukčnost vinutí, přívodů, kapacita) • nízké hodnoty R – vliv LR • vysoké hodnoty R – vliv CR • LW – indukčnost přívodů Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

4


• reálné rezistory pro výkonovou elektroniku – drátové • vinutí z odporového drátu na keramickém tělese, vysoká indukce LR , • tzv. bezindukční provedení – speciální vinutí - snížená indukčnost • vysoká přetížitelnost, trvalé velké výkony (10 kW i více), teplota drátu vysoká malá závislost odporu na teplotě • tavná pojistka

– hmotové • aktivní zóna - směs materiálů (směs vodiče a izolantu, sintrováno,) polovodičové materiály (vysoká závislost na teplotě), nelinearita, nízká cena • vysoká přetížitelnost - schopnost uložit vysoké hodnoty energie

– vrstvové • tenká vrstva – tloušťka srovnatelná se střední volnou dráhou elektronu (<5 µm)- na keramickém nosiči vrstva uhlík, NiCr, • tlustá vrstva – směs oxitů Pd, Ru aj, na keramickém nosiči, vypálit při 1200 °C, 20µm a výše. • špatná přetížitelnost, nižší ztrátový výkon, ostatní parametry dobré (nelinearita, parazitní indukčnosti, kapacity) • hromadná výroba, nízká cena Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

5


• Kapacitory v obvodu výkonové elektroniky – součástka/parazitní prvek – volt/coulombová charakteristika, lineární 𝑄 = 𝐶𝑈 1 2

– energie kondenzátoru 𝑤𝑐 = 𝐶𝑈 2 , dynam. def. 𝑖 = 𝐶

𝑑𝑢 𝑑𝑡

– s frekvencí klesá impedance a roste admitance – Použití: • filtry (omezování vyšších harmonických složek, nebo naopak eliminace stejnosměrné složky v signálu)

• součást rezonančního obvodu • zdroj krátkodobého tvrdého napětí – požadavky na kondenzátory ve výkonové elektronice • odolnost proti teplotě, vysoké kapacitní proudy • práce v širokém rozsahu frekvencí (vysoká vlastní rezonanční frekvence • nízký sériový odpor ESR


6


• parametry reálných kapacitorů pro výkonovou elektroniku – nominální/reálná kapacita (tolerance), závislost na teplotě (ppm/K) – jmenovité napětí (AC, DC), při překročení průraz a obvykle i zničení kondenzátoru – povolený rozsah teplot (Curiova teplota – prudké snížení εr ), – ztrátový činitel tg δ: 𝐷 = tg 𝛿 =

1 𝜔𝐶𝑅 𝑅𝑖

– náhradní schéma –

• paralelní RC – tg δ • komplexnější obvod ESL (ekvivalentní sériová indukčnost) a ESR (ekvivalentní sériový rezistor) – omezení pro vyšší frekvence a vybíjecí proudy (výkonové ztráty) Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

7


• reálné kapacitory – keramické

C   0 r

S l

• nižší hodnoty (do 1 µF), charakteristika podle typu keramiky (lineární/ nelineární), nízké ESL, vysoké napětí • keramiky s vysokou permitivitou – malý objem, vícevrstvé (MLCC) • rozlišení (dle EN 60384) – třída 1 – vysoká stabilita, nízké ztráty (zaměření na jakost), příklad označení: NP0, P100,.. – třída 2 – vysoká objemová účinnost (zaměření na kapacitu), příklad označení: X7R, Z5U,….

• dielektrické materiály – třída 1: MgNb2O6, ZnTa2O6, … spolu s dalšími materiály (𝜀𝑟 = 20 … 40) – třída 2 : Feroelektrické materiály, př. BaTi03 (𝜀𝑟 = 200 … 14 000)


8


• svitkové (fóliové) kondenzátory • metalizovaná fólie (do 100 µF) svinutá, případně kovová fólie a dielektrická fólie – původně

• při malých průrazech samoobnovovací schopnost • vysoké ESL, nutné doplnění keramickým kondenzátorem pro vyšší frekvence)


9


• reálné kapacitory – elektrolytické • obvykle možné polarizovat jen v jednom směru (jinak likvidace) • na hliníkové fólii tenká vrstva oxidu hlinitého (naneseno elektrolyticky), druhá elektroda – elektrolyt • vysoké hodnoty C (do 1 F), nižší napětí (do 500 V), vysoké ESL, relativně (vzhledem k impedanci) vysoké ESR, teplotní omezení (do 80 nebo 105 °C) • vyšší teplota – degradace (vysychání)

– slídové (mika) • vysoké napětí, vysoké teploty, drahé, jako keramické, do 100 nF • speciální uplatnění, užití tam, kde nestačí prosté keramické kondenzátory


10


• induktory a transformátory – součástka/parazitní prvek • cívka, tlumivka, reaktor – dvojpól • transformátor (přenos energie přes magnetický obvod)

– amper/weberová charakteristika Φ = 𝐿𝐼, 𝑁Φ = 𝐿𝐼 1 2

– energie v induktoru s proudem 𝑤𝐿 = 𝐿𝐼2 – dynamická definice 𝑢 = 𝐿

𝑑𝑖 𝑑𝑡

• s frekvencí roste impedance/klesá admitance 𝑍 = 𝜔𝐿 • rezonanční obvody, filtry, tvrdý zdroj proudu

– s feromagnetickým jádrem nebo vzduchové • vzduchové – malé hodnoty L, lineární, velký prostorový rozsah mg. toku, indukce v okolních předmětech ovlivňují parametry induktoru (změna indukčnosti, nelinearita, tepelné ztráty) • feromagnetické jádro je značně nelineární, doplňuje se vzduchová mezera – zvýšení linearity, zvětšení energie v magnetickém toku • BMAX omezuje proud, při překročení dochází k přesycení Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

11


• Základní parametry reálného induktoru – Indukčnost (konstrukční záležitost, růst s objemem = cena) – max. proud • přesycení jádra 𝐵max • výkonové ztráty na vinutí 𝑃 = 𝑅𝑆 𝐼 2

– napětí • souvislost s proudem (přesycení nebo výkonové přetížení) • napěťový průraz (povrch)

– frekvenční rozsah • fmin – s frekvencí klesá impedance (pokles jakosti, vliv 𝑅𝑠 ) • fmax - parazitní kapacita mezi závity – LC obvod, frekvenční omezení materiálu jádra, skinefekt ve vinutí

– výkonové ztráty a teplota • omezeno maximální povolenou teplotou izolace, vinutí se špatně chladí • ztráty v mědi (ohmický odpor, skinefekt) • ztráty v jádře (hysterezní, magnetizační) Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

12


• Induktor s magnetickým obvodem – Intenzita magnetického pole H, [A/m] – Magnetomotorické napětí UM, [A] 𝑈𝑀 = 𝐻 ⋅ 𝑙 = 𝐼 ⋅ 𝑁 • délka střední siločáry l, proud vinutím I, počet závitů N

– Magnetická indukce (hustota magnetického toku) B (T) • vztah mezi B, H:𝐵 = 𝜇𝑂 𝜇𝑟 𝐻,

• µr – relativní permitivita , 𝜇0 = 1,257 ⋅ 10−6 = 4𝜋10−7 – magnetický tok Φ (Wb) Φ = 𝑆 𝐵𝑑𝑆 = 𝐵 ⋅ 𝑆 • vektory magnetické indukce B procházejí plochou S

– Magnetická reluktance RM (A/Wb) 𝑅𝑚 =

𝑈𝑀 Φ

• elektrický ekvivalent, užití obvodových rovnic pro výpočet

– Energie magnetického toku 𝑤 =

1 𝐵2 𝑉 2𝜇0 𝜇𝑟


13


• Vlastnosti jádra, magneticky měkký materiál, hysterezní křivka – Koercitivní intenzita magnetického pole HC – Remanentní magnetická indukce BR – Saturační magnetická indukce BS – permeabilita • počáteční permeabilita µi 1 Δ𝐵 lim = 𝜇𝑖 𝐻→0 𝜇0 Δ𝐻 • efektivní permeabilita µe 1 𝐿 𝑙𝑖 𝜇𝑒 = ∑ 𝜇0 𝑁 2 𝑖 𝑆𝑖 • zdánlivá permeabilita µapp (L0 – stejné vinutí bez jádra) • amplitudová permabilita

L  app  L0

BM a  HM


14


• Frekvenční vlastnosti materiálů jádra – železná jádra – • indukce vířivých proudů – skládání jader z plechů • hysterezní ztráty (orientované plechy)

– Feritová jádra • nízká vodivost, hysterezní ztráty • použitelnost pro vysoké frekvence – graf komplexní permeability µs • jádra pro vysoké frekvence – omezená Bmax

𝒁 = 𝑗𝜔𝝁𝑠 𝐿0𝑆 , 𝝁𝑠 = 𝜇𝑠′ − 𝑗𝜇𝑠′′


15


• Charakteristika tvaru magnetického obvodu – indukčnost • • • •

L  0 e N 2

Se  AL N 2 le

Se - efektivní průřez jádra le - efektivní délka střední siločáry Ve = Se*lev AL- indukční faktor – uvádí se u výrobců jader

• materiály jader


16


• základní konstrukce induktoru – sériové induktory (jen malé, do jednotek ampér) – zákaznické induktory • velký výkon • vyráběné na zakázku (vysoký podíl ruční práce)

– jádro • křemíková ocel, ferit, železoprachové

– kostra • drží všechno pohromadě

– vinutí • měď nebo hliníkový drát


17


• Transformátory – přenos elektrické energie přes magnetický obvod – jádro • křemíková ocel – pro nízké frekvence • ferit – pro vysoké frekvence

• Transformátor – náhradní schéma – RCu, Llp – ohmický odpor v mědi, rozptylová indukčnost na primárním vinutí (dtto na sekundáru) – Rcore, Lm- ztráty v mědi, magnetizace jádra – při nezatíženém sekundáru – prostá indukčnost, nejvyšší ztráty v železe


18


• Druhy transformátorů – Transformátory – napájecí přístrojové pro síťovou frekvenci • přístrojové jednofázové síťové dostupné jako hotové součástky (montáž do plošných spojů nebo volně montované do krabice) • speciální typy – realizace na zakázku

– Transformátory pro spínané zdroje • feritové, pracují na vysokých frekvencích (desítky kHz) • široký rozsah dostupných jader, vinutí na zakázku

– Speciální transformátory (oddělovací, proudové do měřících a regulačních obvodů) • standardní rozsahy možné koupit • navrhnout, nechat vyrobit na nakázku


19


• Aplikace transformátorů - bezkontaktní měření stejnosměrného proudu – měřený proud IP protéká vodičem v toroidním jádru a vyvolává magn. tok – v toroidním jádře je Hallova sonda, která převádí velikost magnetického toku na napětí – Proud IS jako akční veličina z regulační smyčky se snaží vykompenzovat tok v toroidu tak, aby klesl až na nulu. – měří se proud v kompenzačním vinutí, jeho velikost je přímo úměrná měřenému proudu (úměrnost dána počtem závitů)


20


Děkuji za pozornost

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

Pasivní prvky pro výkonovou elektroniku

Recommend Documents