Výkonové spínací prvky a jejich použití

Výkonové spínací prvky a
jejich použití
Příklady aplikací výkonové
elektroniky
1
Prvky Hexsense
Výkonový Mosfet s pěti elektrodami. Optimalizuje snímání proudu přes
mosfet.
D
drain
gate
ID
Is
Kelvinův bod
Měření proudu
Řízení
G
S
ID
source
a)
b)
Kelvinův bod - "Kelvin source". Je to pin, zapojený geometricky do takového bodu
vývodu "source", že napětí na něm je prakticky nezávislé na velikosti proudu ID a
slouží jako virtuální nula při obvodovém řešení a zpracování proudu IS .
RS 
u be .
I D max
PRs  RS .I D2 max
Pro IDmax=20 A a RS=0,035 Ω
P Rs  0, 035.20 2  14 W
2
Vývodem „měření proudu“ (current sense) teče proud IS=ID/n , kde n bývá v rozsahu
50<n<100. Výkon na snímacím rezistoru může být např. až 100x menší.
Používaná zapojení pro snímání proudu spínačem
+U
+U
Zátěž
D
KS
G
IS
Zátěž
ID
D
Rf
KS
+
CS
ID
G
CS
Uo
S
IS
a)
U o  R f .I s 
R2
Výkonová zem
ID
R f . n
b)
uo 
R1
+
RS
Uo
Analogová zem
R1  R2
R  R2
.I S .RS  1
.I D .RS
R1
n.R1
3
Poznámky pro aplikaci výkonových
MOSFETů a IGBT tranzistorů
Ochrana tranzistorů proti přepětí
CDG
U DS
D
t[s]
Z
CDS
G
S
CGS
a)
U GS
t[s]
Z
0
b)
CGD
 1 6 
CGD  CGS
Pokud použijeme vnitřní impedanci zdroje řídicího signálu Z→0, napětí na G
nepřesáhne maximální dovolené napětí UGSmax. Současně se sníží časová
konstanta vstupního obvodu a stejný tranzistor má rychlejší spínací časy.
4
WL max 
1
1
L
L.I D2  WC max  C.U C2 max  U C max  I D
2
2
C
5
Budící obvody Mosfetů a IGBT
Základní požadavkem je Zi→0, proto se často používají speciální budící obvody
Jinak je vhodné buzení pomocí rychlých OZ, CMOS logickými obvody apod.
4049/4050
D
Ucc
5V
10V
15V
ton/off 100/40 50/20 40/15
n . 4049
G
S
D
+15V
NPN
[ns]
G
Vstup
S
Integrované budící obvody
PNP
Vyrábějí se: - „low side tj. pro prvky jejichž vývod S je spojen se zemí
- „high side“ pro prvky, kde zátěž je spojená s vývodem S
- „half bridge“ buzení polovičního můstku
- „full bridge“ řízení celého H – můstku
- „full 3 phase bridge“ řízení kompletního třífázového můstku
6
Příklad budícího obvodu „low side“
7
8
Vlastnosti a použití antiparalelně zapojené lavinové diody
I AK max  I D max
P AK  I AK .U AK = 0, 7.I AK
P Z  U Z .I KA
D
+10V
ID
L
I D [A]
20
t
10
p
0
UDS
Generátor
G
t[ms]
0
=
U1
1
2
3
4
5
U DS [V]
50
50
200
S
100
UZ
U1
t[ms]
tp
tr
•Během doby tr se musí z pouzdra vyzářit energie EAS (avalanche specification), která je dána:
E AS 
1
UZ
L.I D2 .
2
U Z  U1
9
10
11
EAS jako funkce počáteční teploty čipu
12
13
Poznámky k aplikaci IGBT
•Pro řízení platí stejné požadavky na budicí obvod jako u unipolárních tranzistorů
•IGBT mají rovněž lavinovou diodu se stejnými pravidly pro aplikaci
•Obvykle se udává parametr EARV, která má význam jako opakovaná energie na
jeden impulz
•Uvádí se výkonová ztráta při periodickém spínání jako součet ztrát statických a
dynamických
t
U
PD  ( I C .U CE ( I C ) . )  ( ETS ( I C ) . f . CE
T
U CES
ETS  Eon  Eoff
t – doba sepnutí
T – délka periody
UCE(Ic)- napětí na sepnutém spínači při proudu Ic
ETS – celková ztrátová energie při zapnutí a vypnutí
14
15
16
17
18
Řízení otáček synchronních a asynchronních strojů
Asynchronní stroj
M[Nm]
50 Hz
U1 [V]
70 Hz
85 Hz
25 Hz
40 Hz
3000
M [Nm]
(1  s ).60. f
n
p
Synchronní stroj
f [Hz]
50
n [ot/min]
s
n1  n
n1
Synchron. ot.
Počet polpárů
skluz
P m  1  s.P p
příkon
3000
n [ot/min]
Výkon na hřídeli
19
Řízení indukčního motoru s třífázovým můstkem a PWM
+15V
+Ub
100
IR 2130
Log. řízení
TTL úroveň
Horní
spínače
Spodní
spínače
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Vcc
H1
H2
H3
l1
L2
L3
FLT
TRIP
CAD
CAVAS
VA
LO3
VB12
VB11
VB10
VB1
HO1
VS1
VB2
HO2
VS2
VB3
HO3
VS3
LO1
LO2
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
C
G
C
C
G
G
47
E
100
E
E
47
C
G
C
C
G
G
100
100
47
E
E
E
100
1k
100
20
Snímací odpor proudu
Rs
MOTOR
20
Výkonová elektronika v automobilu
21
Elektronické řízení motoru
22
23
24
25
26
27
28
Pomocné pohony v automobilu
29
Řízení klimatizace
30
31
32