Čo je výkonová elektronika

V tomto článku si povieme niečo o výkonovej elektronike. Čo je výkonová elektronika, na čom je založená, aké sú jej výhody a aké sú jej perspektívy? Zastavme sa pri komponentoch výkonovej elektroniky, stručne zvážime, čo to je, ako sa navzájom líšia a na aké aplikácie sú vhodné tieto alebo tie typy polovodičových spínačov. Tu sú príklady zariadení výkonovej elektroniky používaných v každodennom živote, vo výrobe a v každodennom živote.

Zariadenia výkonovej elektroniky dosiahli v posledných rokoch veľký technologický prelom v úspore energie. Výkonové polovodičové súčiastky vďaka svojej flexibilnej ovládateľnosti umožňujú efektívnu premenu elektrickej energie. Dnešné metriky hmotnosti a veľkosti a účinnosti už posunuli prevodníky na kvalitatívne novú úroveň.

Mnoho priemyselných odvetví používa softštartéry, regulátory otáčok, neprerušiteľné zdroje napájania, ktoré pracujú na modernej polovodičovej báze a vykazujú vysokú účinnosť. Všetko je to výkonová elektronika.

Riadenie toku elektrickej energie vo výkonovej elektronike sa vykonáva pomocou polovodičových spínačov, ktoré nahrádzajú mechanické spínače a ktoré je možné ovládať podľa potrebného algoritmu na získanie požadovaného priemerného výkonu a presného pôsobenia pracovného orgánu toho či onoho. zariadení.

Výkonová elektronika sa teda používa v doprave, v ťažobnom priemysle, v oblasti komunikácií, v mnohých priemyselných odvetviach a dnes sa už ani jeden výkonný domáci spotrebič nezaobíde bez výkonových elektronických jednotiek, ktoré sú súčasťou jeho konštrukcie.

Základnými stavebnými kameňmi výkonovej elektroniky sú práve kľúčové polovodičové súčiastky, ktoré dokážu otvárať a zatvárať obvod rôznymi rýchlosťami až po megahertz. V zapnutom stave je odpor spínača jednotky a zlomky ohmov a vo vypnutom stave megaohmy.

Manažment kľúčov nevyžaduje veľa energie a straty na kľúči, ktoré sa vyskytli počas procesu spínania, pri dobre navrhnutom ovládači nepresahujú jedno percento. Z tohto dôvodu je účinnosť výkonovej elektroniky vysoká v porovnaní so stratovými polohami železných transformátorov a mechanických spínačov, ako sú bežné relé.

Výkonové elektronické zariadenia sú zariadenia, ktorých efektívny prúd je väčší alebo rovný 10 ampérom. V tomto prípade môžu byť kľúčovými polovodičovými prvkami: bipolárne tranzistory, tranzistory s efektom poľa, tranzistory IGBT, tyristory, triaky, lock-in tyristory a lock-in tyristory s integrovaným riadením.

Nízky riadiaci výkon tiež umožňuje vytvárať výkonové mikroobvody, v ktorých je kombinovaných niekoľko blokov naraz: samotný spínač, riadiaci obvod a riadiaci obvod, to sú takzvané inteligentné obvody.

Tieto elektronické stavebné bloky sa používajú vo vysokovýkonných priemyselných inštaláciách a domácich elektrických spotrebičoch. Indukčná rúra na niekoľko megawattov alebo domáci parný hrniec na niekoľko kilowattov — obe majú polovodičové vypínače, ktoré jednoducho fungujú pri rôznych príkonoch.

Výkonové tyristory teda pracujú v meničoch s výkonom nad 1 MVA, v obvodoch elektrických pohonov s jednosmerným a striedavým prúdom s vysokým napätím, používajú sa v zariadeniach na kompenzáciu jalového výkonu, v zariadeniach na indukčné tavenie.

Blokovacie tyristory sa ovládajú flexibilnejšie, riadia sa nimi kompresory, ventilátory, čerpadlá s výkonom stoviek kVA a potenciálny spínací výkon presahuje 3 MVA. IGBT tranzistory umožňujú nasadenie meničov s kapacitou až MVA jednotiek na rôzne účely ako na riadenie motorov, tak aj na zabezpečenie nepretržitého napájania a spínania vysokých prúdov v mnohých statických inštaláciách.

MOSFETy majú vynikajúcu ovládateľnosť pri frekvenciách stoviek kilohertzov, čo značne rozširuje ich rozsah použiteľnosti v porovnaní s IGBT.

Triaky sú optimálne na štartovanie a riadenie striedavých motorov, môžu pracovať pri frekvenciách do 50 kHz a vyžadujú menej energie na ovládanie ako IGBT tranzistory.

Dnes majú IGBT maximálne spínacie napätie 3500 voltov a potenciálne 7000 voltov.Tieto komponenty môžu v najbližších rokoch nahradiť bipolárne tranzistory a budú použité na zariadeniach až po jednotky MVA. Pre konvertory s nízkym výkonom zostanú MOSFET prijateľnejšie a pre viac ako 3 MVA - lock-in tyristory.

Podľa prognóz analytikov bude mať väčšina polovodičov v budúcnosti modulárny dizajn, kde sa dva až šesť kľúčových prvkov nachádza v jednom balení. Použitie modulov umožňuje znížiť hmotnosť, veľkosť a náklady na zariadenie, v ktorom sa budú používať.

Pre IGBT tranzistory bude pokrokom zvýšenie prúdov do 2 kA pri napätiach do 3,5 kV a zvýšenie pracovných frekvencií do 70 kHz so zjednodušenými schémami riadenia. Modul môže obsahovať nielen spínače a usmerňovač, ale aj budič a aktívne ochranné obvody.

Tranzistory, diódy, tyristory vyrábané v posledných rokoch už výrazne zlepšili svoje parametre, ako sú prúd, napätie, rýchlosť a pokrok nezaháľa.

Pre lepšiu premenu striedavého prúdu na jednosmerný sa používajú riadené usmerňovače, ktoré umožňujú plynulú zmenu usmerneného napätia v rozsahu od nuly po menovité.

Dnes sa v budiacich systémoch s jednosmerným elektrickým pohonom používajú tyristory hlavne v synchrónnych motoroch. Dvojité tyristory — triaky — majú len jednu hradlovú elektródu pre dva pripojené antiparalelné tyristory, čo ešte viac uľahčuje ovládanie.

Na vykonanie spätného procesu sa používa konverzia jednosmerného napätia na striedavé napätie striedače… Nezávislé polovodičové spínacie meniče poskytujú výstupnú frekvenciu, tvar a amplitúdu určenú elektronickým obvodom, nie sieťou. Meniče sa vyrábajú na základe rôznych typov kľúčových prvkov, ale pre veľké výkony, viac ako 1 MVA, opäť vychádzajú IGBT tranzistorové meniče.

Na rozdiel od tyristorov IGBT poskytujú širšie a presnejšie tvarovanie výstupného prúdu a napätia. Automobilové meniče s nízkym výkonom využívajú pri svojej práci tranzistory s efektom poľa, ktoré pri výkone do 3 kW vynikajúco premieňajú jednosmerný prúd 12-voltovej batérie, najprv na jednosmerný prúd, prostredníctvom vysokofrekvenčného pulzného meniča pracujúceho pri frekvencii 50 kHz až stovky kilohertzov, potom striedavo 50 alebo 60 Hz.

Ak chcete previesť prúd jednej frekvencie na prúd inej frekvencie, použite polovodičové frekvenčné meniče… Predtým sa to robilo výlučne na báze tyristorov, ktoré nemali plnú ovládateľnosť; bolo potrebné vyvinúť komplexné schémy núteného blokovania tyristorov.

Použitie prepínačov, ako sú MOSFET a IGBT s efektom poľa, uľahčuje návrh a implementáciu frekvenčných meničov a možno predpokladať, že v budúcnosti sa od tyristorov, najmä v zariadeniach s nízkym výkonom, upustí v prospech tranzistorov.

Tyristory sa stále používajú na reverzné elektrické pohony; stačí mať dve sady tyristorových meničov na zabezpečenie dvoch rôznych smerov prúdu bez nutnosti prepínania. Takto fungujú moderné bezdotykové reverzibilné štartéry.

Dúfame, že náš krátky článok bol pre vás užitočný a už viete, čo je výkonová elektronika, aké prvky výkonovej elektroniky sa používajú vo výkonových elektronických zariadeniach a aký veľký potenciál má výkonová elektronika pre našu budúcnosť.