Tehoelektroniikka

Tehoelektroniikan on haara elektroniikan ja sähkötekniikan , joka käsittelee voima korkea ja "laitteita, jotka muuntavat nämä ei-sähköisessä muodossa" ( muuntimet ) ja kytkin, tai ilman valvontaa tätä oikeutta.

Tehoelektroniikka sisältää tutkimukset, rakentamisen ja ylläpidon:

Kenraali

Tehoelektroniikan , tai oikeammin "sähköinen energian muuntaminen" on alle 50 vuotta. Se on kokenut niin suuren puomin, että nykyään lähes 15% tuotetusta sähköenergiasta muuttuu muodoksi. Näiden vuosien aikana muuntimien koko, paino ja kustannukset vain pienenivät, mikä johtui pääasiassa elektronisten kytkimien kehityksestä .

Se on kytkentäelektroniikka: se käyttää hyväkseen sitä tosiasiaa, että täydellinen suljettu kytkin (nolla vastus, nolla liitäntäjännite) tai avoin (ääretön vastus, nolla virran kautta) ei haihduta energiaa eikä aiheuta menetyksiä. Yhdistettynä passiivisiin ja puhtaasti reaktiivisiin suodatinelementteihin (toisin sanoen ilman sisäistä vastusta), se teoreettisesti sallii jännitteen ja / tai virran muokkaamisen häviöttömästi, jolloin voidaan suorittaa jännitteen muunnos tai virta säästämällä energiaa. Tämä tavoite saavutetaan leikkaamalla jännite ja / tai virta erittäin suurella taajuudella (muuntimen tulo- tai lähtötaajuuden suhteen) ja tasoittamalla saatu tulos keskimääräisen arvon poimimiseksi siitä. Käytännössä meidän pitäisi odottaa menetyksiä, jotka ovat luokkaa 2-10% johtuen sen muodostavien fyysisten elementtien epätäydellisyydestä. Nämä kohtuulliset häviöt oikeuttavat tämän tyyppisen elektroniikan nousun suuritehoisissa järjestelmissä, koska ne mahdollistavat syntyvän lämmön poistamisen turvautumatta äärimmäisiin ja kalliisiin keinoihin. Vähitellen tehoelektroniikkaa on tullut esiin kaikilla alueilla, joilla häviöiden on pysyttävä pieninä ylikuumenemisen rajoittamiseksi, kuten tietokoneissa, ja energiatehokkuuden on oltava korkea energialähteen säilyttämiseksi, kuten paristokäyttöisissä järjestelmissä (GSM, GPS, kannettavat tietokoneet jne.) .

Muistakaamme että tehonmuunnin, jossa hyötysuhdetta (ilman häviöitä) voidaan koostuu ihanteellinen kytkimet ja puhtaasti reaktiivinen dipolien, siis ilman pienintäkään loistaudit vastus : kondensaattorit ja induktorit . Reaktiiviset dipolit ovat energian varastointielementtejä, joiden koko (ja siten kustannukset) on kääntäen verrannollinen toimintataajuuteen.

Perinteisten tehoelektroniikkasovellusten, kuten sähköisen vetovoiman ja teollisuuskäyttöjen, lisäksi on syntynyt uusia käyttöalueita:

Kytkimet

EdP switches.png

Historiallinen

Ensimmäiset staattiset muuntimet kehitettiin korvaamaan sähkömekaaniset muuntimet suuritehoisen korjauksen alalla. 1950-luvulla siirrymme sähköiseen vetoon ratkaisuun - vaihtoehtoinen kuljetus + jatkuva moottorointi. Tarvittavat staattiset muuntimet valmistetaan elohopeahöyryn tasasuuntaajilla (ignitroneilla), joilla on samat toiminnot kuin tyristoreilla.

Diodit

Ne vastaavat hydrauliasennuksen venttiiliä.

Kaksi parametriä on otettava huomioon:

Kolme viat komponentin ovat:

Tällä hetkellä diodeja on saatavana useissa luokissa:

Power-piidiodit dynaamisen vastuksen R D matala. Niitä käytetään suuritehoisten muuntimien, kuten vetomuuntajien, alalla. Ne valmistetaan kapseloidussa kotelossa. Niiden muodostama risteys on tyyppiä PiN (P - luonnostaan ​​- N) tai PN-N +. Erittäin kevyesti seostetun vyöhykkeen käyttöönotto mahdollistaa korkean estojännitteen saavuttamisen. Nopeat diodit alhaisen loiskapasitanssin C Niiden toipumisajat ovat suuruusluokkaa muutamia kymmeniä nanosekunteja. Schottky-diodit kynnys jännite V S alhainen ja C alhainen. Ne koostuvat metalli-puolijohde-liitoksesta. PiN-diodeihin verrattuna kynnysjännite on pienempi, mutta vastus on suurempi (siten jännitehäviö, joka riippuu voimakkaammin sen läpi virtaavasta virrasta). Ne voivat toimia erittäin korkeilla taajuuksilla, mutta suurin sallittu vastakkainen jännite on pienempi. Kaikista näistä syistä niitä käytetään pääasiassa muuntajissa, jotka toimivat matalalla jännitteellä ja suurella taajuudella: kytkentävirtalähteet. In piikarbidi (SiC), ne yhdistävät C erittäin pieni ja suurempi estojännite kuin tavanomaisen Schottky-diodit, mutta näitä parannuksia ovat kustannuksella kasvu V S .

Virta MOSFETit

Nämä ovat elektronisia kytkimiä, joiden lukitusta tai käynnistystä ohjataan jännitteellä (ne käyttäytyvät kuin ovet, jotka voidaan avata tai sulkea haluamallaan tavalla). Niitä käytetään eniten pienien ja keskisuurten tehojen (muutama kilowatti) alalla.

Niiden käyttöalue on rajoitettu muutamaan sataan volttiin, lukuun ottamatta suurtaajuusaluetta, jolle MOSFET ylittää kaikki muut komponentit.

Niiden tärkein haittapuoli on se, että päällä olevassa tilassa ne käyttäytyvät kuin muutaman kymmenen mΩ: n vastukset ( R DSon ). Tämä vastus on vastuussa johtohäviöistä. MOSFET voi myös esiintyä kytkentähäviöiltä käytettäessä kytkin kytkentävirtalähde tarvikkeita . Jokaisessa kytkennässä sen liittimissä olevat parasiittikapasitanssit on todellakin ladattava tai purettava, mikä johtaa CV²-häviöihin .

Tehon kaksisuuntaiset transistorit

Verrattuna teho-MOS-transistoreihin ne vaativat monimutkaisemman ohjauksen ja heikon dynaamisen suorituskyvyn. Ne ovat kuitenkin termisesti vakaampia ja ennen kaikkea virran ohjauksen takia ne ovat vähemmän herkkiä sähkömagneettisille häiriöille.

IGBT: t

MOS-transistoria on nopea ja helppo hallita, mutta bipolaarisilla transistoreilla on parempi jännite, ja niiden jännitehäviö on pienempi suurilla virroilla. Halu yhdistää nämä kaksi etua synnytti hybridikomponentteja, joita kutsutaan IGBT: ksi .

1990-luvulta lähtien näitä komponentteja käytetään eniten muuntajien valmistamiseen, joiden jännite on muutamasta sadasta voltista muutamaan kilovolttiin ja virroilla muutamasta kymmenestä ampeerista muutamaan kiloampeeriin.

Tyristorit

Komponentti toimii karkeasti kuin rengas-Suisse: n ohjaama venttiili:

Näistä syistä tyristori on varattu sovelluksiin, jotka koskevat erittäin korkeita jännitteitä (> kilovoltteja) ja suuria virtoja, joissa sen alhaisemmat kustannukset kompensoivat sen tekniset rajoitukset. Esimerkiksi pitkän matkan tai sukellusveneen tasavirta - suurjänniteliitännät ( HVDC ) tehdään melkein aina tyristoreilla.

Esimerkki arvoista: Tyristori 16  kV - 2 kA, taajuus 300  Hz .

Kova vaihto ja pehmeä kytkentä

Staattisten muuntimien taajuuden nousu johtaa kytkinten häviöiden lisääntymiseen. Näitä tappioita voidaan vähentää, mutta ennen kaikkea sijoittaa lisäämällä kytkentäapupiiri  (t) CALC tai snubber englanniksi, ja tämä muuttamatta muuntimen toimintaperiaatetta.
Toinen mahdollisuus koostuu kytkinten luonteen muuttamisesta siten, että ne suorittavat spontaanin kytkennän, jota kutsutaan myös pehmeäksi kytkennäksi, koska häviöt ovat nolla, mutta myös muuntimien, joiden on sitten luotava kytkentäolosuhteet. Näitä muuntimia kutsutaan (lähes) resonanssimuuntimiksi.

Kahden tyyppisiä kytkimiä voidaan käyttää, mikä johtaa kahden tyyppiseen pehmeään kytkentään:

Yhden suureen nollan ylityksen saavuttamiseksi on välttämätöntä lisätä kokoonpanoon värähtelypiiri, joten niiden nimi on lähes resonanssimuunnin.

Jotkut laitteet

Muuntajien tehoelektroniikassa on yleensä neljä päätoimintoa:

Näiden puhtaasti toimivien nimien lisäksi tietyille muuntimille on annettu erityisiä nimiä.

Huomautuksia ja viitteitä

  1. Richard Taillet , Loïc Villain ja Pascal Febvre , fysiikan sanakirja , Bryssel, De Boeck ,2013, s.  234.
  2. Tehoelektroniikka , osoitteessa technika-ingenieur.fr, 10. helmikuuta 2016, kuuli 21. elokuuta 2017
  3. Kansainvälinen sähkötekninen toimikunta , ”Sähkö- ja magneettilaitteet: yleistä” , julkaisussa IEC 60050 International Electrotechnical Vocabulary , 1987/1994 ( luettu verkossa ) , s.  151-11-01.

Katso myös