Kraftelektronikk

De kraftelektronikk er en gren av elektronikken og de elektroteknikk som omhandler den kraft høy og "enheter som omformer disse i et ikke-elektrisk skjema" ( omformere ) og til bryter, med eller uten kontroll av denne kraft.

Kraftelektronikk inkluderer studier, konstruksjon og vedlikehold:

Generell

De kraftelektronikk , eller mer korrekt "elektronisk energi konvertering" er mindre enn 50 år. Den har opplevd en slik bom at i dag nesten 15% av den produserte elektriske energien blir omgjort til en eller annen form. I løpet av disse årene reduserte størrelsen, vekten og kostnaden for omformere bare, hovedsakelig på grunn av fremskritt innen elektroniske brytere .

Det er en koblingselektronikk: den utnytter det faktum at en perfekt bryter lukket (null motstand, null terminalspenning) eller åpen (uendelig motstand, null strøm igjennom) ikke forsvinner energi, gir derfor ikke noe tap. Når det kombineres med passive og rent reaktive filterelementer (det vil si uten intern motstand), tillater det teoretisk at spenningen og / eller strømmen kan modifiseres uten tap, og derfor utfører en spenningskonvertering eller strøm ved å spare energi. Dette målet oppnås ved å kutte spenningen og / eller strømmen med veldig høy frekvens (med hensyn til inngangs- eller utgangsfrekvensen til omformeren) og ved å jevne ut det oppnådde resultatet for å trekke ut gjennomsnittsverdien derfra. I praksis bør vi forvente tap i størrelsesorden 2 til 10% på grunn av ufullkommenheten til de fysiske elementene som utgjør den. Disse rimelige tapene rettferdiggjør økningen av denne typen elektronikk i høyeffektsystemer, siden de gjør det mulig å fjerne varmen som genereres uten å bruke ekstreme og dyre midler. Gradvis har kraftelektronikk dukket opp i alle områder der tapene må forbli lave for å begrense overoppheting, som i datamaskiner, og hvor effektiviteten må være høy for å bevare energikilden, som i batteridrevne systemer (GSM, GPS, bærbare datamaskiner osv.) .

La oss huske at en kraftomformer med enhet effektivitet (uten tap) kan kun bestå av ideelle brytere og rent reaktive dipoler, derfor uten den minste parasittiske motstand : kondensatorer og induktorer . Reaktive dipoler er energilagringselementer hvis størrelse (og derfor kostnad) er omvendt proporsjonal med driftsfrekvensen.

I tillegg til tradisjonelle kraftelektroniske applikasjoner som elektrisk trekkraft og industrielle stasjoner, har det kommet nye bruksområder:

Brytere

EdP switches.png

Historisk

Det var innen høykraftretting at de første statiske omformerne ble utviklet for å erstatte elektromekaniske omformere. På 1950-tallet, for elektrisk trekkraft, vendte vi oss til løsningen - alternativ transport + kontinuerlig motorisering. De nødvendige statiske omformerne er laget ved hjelp av kvikksølvdamp likerettere (ignitroner) med samme funksjonalitet som tyristorer.

Dioder

De tilsvarer en ventil i en hydraulisk installasjon.

To parametere må tas i betraktning:

De tre hovedfeilene til komponenten er:

For tiden er dioder tilgjengelig i flere kategorier:

Kraftige silisiumdioder av dynamisk motstand R D lav. De brukes innen høykraftomformere som trekkomformere. De er laget i en innkapslet sak. Krysset som utgjør dem er av typen PiN (P - Intrinsic - N), eller PN-N +. Innføringen av en veldig lett dopet sone gjør det mulig å oppnå en høy blokkeringsspenning. Raske dioder med lav parasittkapasitet C. De har gjenopprettingstider i størrelsesorden noen titalls nanosekunder. De Schottky dioder terskelspenning V S lav og C lav. De består av et metall - halvlederkryss. Sammenlignet med PiN-dioder er terskelspenningen lavere, men motstanden er høyere (derav et spenningsfall som avhenger sterkere av strømmen som strømmer gjennom den). De kan operere med veldig høye frekvenser, men den maksimalt tillatte revers spenningen er lavere. Av alle disse grunnene brukes de hovedsakelig i omformere som opererer ved lav spenning og med høy frekvens: bytte strømforsyning. I silisiumkarbid (SiC), kombiner de C meget lav og høyere sperrespenning enn konvensjonelle Schottky-dioder, men disse forbedringene er på bekostning av økning i V- S .

Strøm MOSFET

Dette er elektroniske brytere hvis blokkering eller start styres av en spenning (de oppfører seg som dører som kan åpnes eller lukkes etter eget ønske). De er de mest brukte innen lav og middels kraft (noen kilowatt).

Deres bruksområde er begrenset til noen få hundre volt, bortsett fra det høyfrekvente området som MOSFET overgår alle andre komponenter.

Deres viktigste ulempe er at de i på-tilstand oppfører seg som motstander ( R DSon ) på noen titalls mΩ. Denne motstanden er ansvarlig for ledningstap. Den MOSFET kan også oppvise svitsjetapene når den brukes som en bryter i koblingskraftforsyninger . Faktisk, ved hver bytte, må de parasittiske kapasitansene som er tilstede på terminalene, lades eller utlades, noe som fører til tap i CV² .

Kraft bipolare transistorer

Sammenlignet med MOS-transistorer, krever de mer komplisert kontroll og har dårligere dynamisk ytelse. Imidlertid er de termisk mer stabile, og fremfor alt er de mindre følsomme for elektromagnetiske forstyrrelser på grunn av strømstyring.

IGBT-er

MOS-transistoren er rask og enkel å kontrollere, men bipolare transistorer har bedre spenningstål og viser lavere spenningsfall i staten ved høye strømmer. Ønsket om å kombinere disse to fordelene fødte hybridkomponenter kalt IGBT .

Siden 1990-tallet er dette komponentene som er mest brukt for å lage omformere som opererer med spenninger fra noen få hundre volt til noen få kilovolt og med strøm fra noen titalls ampere til noen få kiloampere.

Tyristorer

Komponent som fungerer omtrent som en ventil styrt av en "dekk-Suisse":

Av disse grunner er tyristoren reservert for applikasjoner som gjelder svært høye spenninger (> kilovolt) og høye strømmer, der den lavere kostnaden kompenserer for de tekniske begrensningene. For eksempel er langdistanse- eller ubåtens likestrøm - høyspenning ( HVDC ) koblinger nesten alltid laget med tyristorer.

Eksempel på verdier: Tyristor 16  kV - 2 kA, frekvens 300  Hz .

Hardt bytte og mykt bytte

Frekvensen av statiske omformere fører til en økning i svitsjetap i bryterne. Disse tapene kan reduseres, men fremfor alt delokaliseres ved å legge til koblingshjelpskrets  (er) CALC eller snubber på engelsk, og dette uten å endre omformerens driftsprinsipp.
En annen mulighet består i å modifisere bryterenes natur slik at de utfører spontan omkobling, også kalt myk omkobling fordi tapene er null, men også den til omformerne som da må skape koblingsbetingelsene. Disse omformerne kalles (kvasi) resonansomformere.

To typer brytere kan brukes, noe som resulterer i to typer myke bytter:

For å oppnå null kryssing av en av mengdene er det nødvendig å legge til en oscillerende krets i enheten, derav deres navn på kvasi-resonansomformere.

Noen enheter

Det er generelt fire hovedfunksjoner til omformere i kraftelektronikk:

Men i tillegg til disse rent funksjonelle navnene, har spesielle navn blitt gitt til visse omformere.

Merknader og referanser

  1. Richard Taillet , Loïc Villain og Pascal Febvre , Dictionary of Physics , Brussel, De Boeck ,2013, s.  234.
  2. Kraftelektronikk , på techniques-ingenieur.fr av 10. februar 2016, konsultert 21. august 2017
  3. International Electrotechnical Commission , “Electrical and Magnetic Devices: General” , i IEC 60050 International Electrotechnical Vocabulary , 1987/1994 ( les online ) , s.  151-11-01.

Se også