Co je výkonová elektronika

V tomto článku budeme hovořit o výkonové elektronice. Co je výkonová elektronika, na čem je založena, jaké jsou její výhody a jaké jsou její perspektivy? Zastavme se u součástek výkonové elektroniky, krátce se zamysleme, co to je, čím se od sebe liší a pro jaké aplikace jsou ty či ony typy polovodičových spínačů vhodné. Zde jsou příklady zařízení výkonové elektroniky používaných v každodenním životě, ve výrobě a v každodenním životě.

V posledních letech zaznamenala zařízení výkonové elektroniky velký technologický průlom v úsporách energie. Výkonová polovodičová zařízení díky své flexibilní ovladatelnosti umožňují efektivní přeměnu elektrické energie. Dnešní metriky hmotnosti a velikosti a účinnosti již posunuly měniče na kvalitativně novou úroveň.

Mnoho průmyslových odvětví používá softstartéry, regulátory rychlosti, nepřerušitelné zdroje napájení, které pracují na moderní polovodičové bázi a vykazují vysokou účinnost. Všechno je to výkonová elektronika.

Řízení toku elektrické energie ve výkonové elektronice se provádí pomocí polovodičových spínačů, které nahrazují mechanické spínače a které lze ovládat podle potřebného algoritmu pro získání požadovaného průměrného výkonu a přesné činnosti pracovního orgánu toho či onoho. zařízení.

Výkonová elektronika se tedy používá v dopravě, v těžebním průmyslu, v oblasti komunikací, v mnoha průmyslových odvětvích a dnes se bez výkonových elektronických jednotek zahrnutých v jeho konstrukci neobejde ani jeden výkonný domácí spotřebič.

Základními stavebními kameny výkonové elektroniky jsou právě klíčové polovodičové součástky, které dokážou otevřít a zavřít obvod různými rychlostmi, až megahertz. V zapnutém stavu je odpor spínače jednotek a zlomků ohmů a ve vypnutém stavu megohmů.

Správa klíčů nevyžaduje mnoho energie a ztráty na klíči vzniklé během procesu přepínání při dobře navrženém ovladači nepřesahují jedno procento. Z tohoto důvodu je účinnost výkonové elektroniky vysoká ve srovnání se ztrátovými polohami železných transformátorů a mechanických spínačů, jako jsou konvenční relé.

Výkonová elektronická zařízení jsou zařízení, jejichž efektivní proud je větší nebo roven 10 ampérům. V tomto případě mohou být klíčovými polovodičovými prvky: bipolární tranzistory, tranzistory s efektem pole, tranzistory IGBT, tyristory, triaky, tyristory lock-in a tyristory lock-in s integrovaným řízením.

Nízký řídicí výkon také umožňuje vytvářet výkonové mikroobvody, ve kterých je kombinováno více bloků najednou: samotný spínač, řídicí obvod a řídicí obvod, jedná se o tzv. chytré obvody.

Tyto elektronické stavební bloky se používají jak ve vysoce výkonných průmyslových instalacích, tak v domácích elektrických spotřebičích. Indukční trouba na pár megawattů nebo domácí parní hrnec na pár kilowattů — oba mají polovodičové vypínače, které jednoduše fungují na různé výkony.

Výkonové tyristory tedy pracují v měničích s výkonem nad 1 MVA, v obvodech elektrických pohonů se stejnosměrným a střídavým pohonem s vysokým napětím, používají se v instalacích pro kompenzaci jalového výkonu, v instalacích pro indukční tavení.

Aretační tyristory jsou řízeny flexibilněji, slouží k ovládání kompresorů, ventilátorů, čerpadel o výkonu stovek kVA a potenciální spínací výkon přesahuje 3 MVA. IGBT tranzistory umožňují nasazení měničů s kapacitou až MVA jednotek pro různé účely jak pro řízení motoru, tak pro zajištění trvalého napájení a spínání vysokých proudů v mnoha statických instalacích.

MOSFETy mají vynikající ovladatelnost na frekvencích stovek kilohertzů, což značně rozšiřuje jejich rozsah použitelnosti ve srovnání s IGBT.

Triaky jsou optimální pro spouštění a řízení střídavých motorů, mohou pracovat na frekvencích až 50 kHz a vyžadují méně energie k řízení než tranzistory IGBT.

Dnes mají IGBT maximální spínací napětí 3500 voltů a potenciálně 7000 voltů.Tyto součástky mohou v příštích letech nahradit bipolární tranzistory a budou použity na zařízeních až po jednotky MVA. Pro měniče s nízkým výkonem zůstanou MOSFETy přijatelnější a pro více než 3 MVA - lock-in tyristory.

Podle prognóz analytiků bude mít většina polovodičů v budoucnu modulární konstrukci, kde se dva až šest klíčových prvků nachází v jednom balení. Použití modulů umožňuje snížit hmotnost, velikost a náklady na zařízení, ve kterém budou použity.

U IGBT tranzistorů bude pokrokem zvýšení proudů až na 2 kA při napětích do 3,5 kV a zvýšení pracovních frekvencí až do 70 kHz se zjednodušenými schématy ovládání. Modul může obsahovat nejen spínače a usměrňovač, ale také budič a obvody aktivní ochrany.

Tranzistory, diody, tyristory vyráběné v posledních letech již výrazně zlepšily své parametry, jako je proud, napětí, rychlost a pokrok nestojí.

Pro lepší přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný se používají řízené usměrňovače, které umožňují plynulou změnu usměrněného napětí v rozsahu od nuly do jmenovitého.

Dnes se ve stejnosměrných elektrických budicích systémech používají tyristory hlavně v synchronních motorech. Dvojité tyristory — triaky — mají pouze jednu hradlovou elektrodu pro dva připojené antiparalelní tyristory, což ještě více usnadňuje ovládání.

K provedení obráceného procesu se používá převod stejnosměrného napětí na střídavé napětí střídače… Nezávislé polovodičové spínací invertory poskytují výstupní frekvenci, tvar a amplitudu určenou elektronickým obvodem, nikoli sítí. Měniče jsou vyráběny na základě různých typů klíčových prvků, ale pro velké výkony, více než 1 MVA, opět vycházejí tranzistorové měniče IGBT navrch.

Na rozdíl od tyristorů IGBT poskytují širší a přesnější tvarování výstupního proudu a napětí. Nízkopříkonové automobilové měniče využívají při své práci tranzistory s efektem pole, které při výkonech až 3 kW odvádějí vynikající práci při přeměně stejnosměrného proudu 12voltové baterie, nejprve na stejnosměrný proud, prostřednictvím vysokofrekvenčního pulzního měniče pracujícího při frekvenci 50 kHz až stovky kilohertzů, pak ve střídavých 50 nebo 60 Hz.

Chcete-li převést proud jedné frekvence na proud jiné frekvence, použijte polovodičové frekvenční měniče… Dříve se to dělalo pouze na bázi tyristorů, které neměly plnou řiditelnost; bylo nutné vyvinout komplexní schémata pro nucené zamykání tyristorů.

Použití přepínačů, jako jsou MOSFET a IGBT s efektem pole, usnadňuje návrh a implementaci frekvenčních měničů a lze předpokládat, že od tyristorů, zejména v zařízeních s nízkým výkonem, bude v budoucnu upuštěno ve prospěch tranzistorů.

Tyristory se stále používají k reverzaci elektrických pohonů; stačí mít dvě sady tyristorových měničů pro zajištění dvou různých směrů proudu bez nutnosti přepínání. Tak fungují moderní bezdotykové reverzní startéry.

Doufáme, že pro vás byl náš krátký článek užitečný a nyní víte, co je výkonová elektronika, jaké prvky výkonové elektroniky se používají ve výkonových elektronických zařízeních a jak velký potenciál má výkonová elektronika pro naši budoucnost.