Electronică

Electronica de putere este o ramura a electronicii avand drept obiectiv transferul energiei electrice intre o sursa de alimentare si o sarcina prin conversia controlata a acestei energii dintr-o forma in alta. Rolul si locul electronicii de putere este reprezentat sugestiv in schema din fig. 1.1.

Fig. 1.1. Schema bloc a unui sistem electronic de putere.

Simbolizata sub forma unui bloc, electronica de putere transfera energia electrica de parametrii (vi, ii, fi) primita pe portul de intrare, sub forma unei energii electrice de parametrii (vo, io, fo) disponibila pe iesirea de putere si destinata sarcinii. Transferul de energie se poate efectua fie dinspre sursa catre sarcina fie, de la sarcina spre sursa cand se intra in asa numitul regim de "recuperare". Conversia energiei electrice dintr-o forma in alta este realizata de electronica de putere in scopul obtinerii unei concordante intre parametrii sarcinii si cei ai sursei de alimentare. Ritmul in care se transfera energia intre intrarea si iesirea de putere este impus prin semnalele primite pe intrarea de comanda. La randul lor, aceste semnale sunt elaborate de blocul denumit electronica de control si reprezinta decizia luata de acest bloc pe baza semnalelor de referinta si a celor provenite pe calea de reactie. Semnalele de reactie sunt semnale de informare obtinute la iesirea de putere printr-o operatie de masurare.

Electronica de control actioneaza asupra electronicii de putere in sensul minimizarii erorii (diferentei) dintre valorile de referinta si cele de reactie.

Pe langa functia de transfer de energie electronica de putere mai realizeaza si o functie de protectie a dispozitivelor electronice de putere care participa la acest transfer. Compartimentul de protectie contine senzori, circuite inteligente pentru luarea deciziilor si elemente de executie pentru realizarea protectiei propriu-zise.

In cadrul unui sistem de reglare automata electronica de putere indeplineste functia de element de executie.

1.2. Clasificarea convertoarelor

Circuitele electronice avand ca functie principala conversia energiei electrice dintr-o forma in alta sunt denumite convertoare. In componenta convertoarelor intra atat dispozitive pasive R, L, C cat si dispozitive electronice active de putere.

In clasificarea convertoarelor se va tine seama de relatia existenta intre frecventa fi a semnalului de intrare si frecventa fo a semnalului de iesire.

- pentru : fi = fo ? 0 se definesc variatoarele de curent alternativ ;

- pentru : fi = fo = 0 se definesc variatoarele de curent continuu ;

- pentru : fi = 0 ; fo ? 0 se definesc invertoarele;

- pentru : fi ? 0 ; fo ? 0 si fi ? fo se definesc convertoarele de frecventa ;

- pentru : fi ? 0 ; fo = 0 se definesc convertoarele de curent , care la randul lor pot fi unidirectionale sau bidirectionale. In aceasta clasa sunt incluse si redresoarele.

1.3. Regimul de functionare al componentelor

electronice de putere

Componentele electronice de putere ce intra in componenta convertoarelor au cel mai adesea rolul unui comutator. Atributul "putere" adaugat denumirii acestor componente indica solicitarile deosebite in curent si tensiune la care sunt supuse in timpul functionarii.

In functionare normala un dispozitiv electronic de putere se va gasi fie in starea de conductie (starea "ON") fie in starea de blocare (starea "OFF").

Starea de conductie se caracterizeaza prin faptul ca dispozitivul opereaza ca un contact inchis. Prin el va trece un curent de valoare semnificativa in timp ce tensiunea dintre terminalele de forta este redusa. Intre sursa si sarcina se realizeaza transferul de putere. Durata acestei etape se noteaza cu TON sau T1.

In starea de blocare dispozitivul opereaza ca un contact deschis izoland sarcina de sursa prin blocarea transferului de putere. Tensiunea dintre terminalele de forta are o valoare semnificativa in timp ce curentul este zero. Durata acestei etape se noteaza cu TOFF sau T2.

Starile de conductie si de blocare alcatuiesc regimul static de functionare al unui component electronic de putere.

Trecerile dintr-o stare in alta se vor numi tranzitii sau comutatii si alcatuiesc regimul tranzitoriu sau dinamic de functionare.

Trecerea din starea de blocare in starea de conductie se va numi comutatie (tranzitie) directa, iar durata acesteia se va nota cu tON.

Trecerea din starea de conductie in starea de blocare se va numi comutatie (tranzitie) inversa, iar durata tranzitiei se va nota cu tOFF.

Regimul cel mai solicitant pentru un dispozitiv semiconductor de putere il reprezinta blocarea acestuia. Este motivul pentru care circuitele de protectie trebuie sa asiste dispozitivul electronic de putere mai ales pe durata tranzitiei sale inverse. Raportul dintre durata de conductie si perioada de comutatie se va numi factor de umplere (duty ratio sau duty cycle) :

(1.1)

1.4. Caracteristicile componentelor electronice de putere

Un dispozitiv electronic de putere aflat in starea de conductie trebuie sa reziste la un curent de valoare ridicata. Atat rezistenta dinamica cat si tensiunea dintre terminalele sale principale trebuiesc sa fie cat mai reduse.

In starea de blocare dispozitivul electronic de putere trebuie sa suporte o tensiune ridicata aplicata atat direct cat si invers intre terminalele principale. De regula, capabilitatea in tensiune trebuie sa depaseasca o data sau de doua ori tensiunea maxima a retelei de alimentare.

Din punctul de vedere al regimului tranzitoriu componentele electronice trebuie sa aiba timpi de comutatie cat mai redusi pentru a putea lucra la frecvente cat mai ridicate si sa reziste la viteze ridicate de variatie ale curentului (efectul ) si tensiunii (efectul ). In conditii normale de functionare puterea statica disipata in regim de blocare este nula.

In starea de conductie puterea disipata de dispozitivul semiconductor este data in principal de curentul ION si de rezistenta directa rON, rezistenta care, parcursa fiind de curentul ION, genereaza caderea de tensiune VON :

(1.2)

In evaluarea puterii disipate in regim dinamic se va tine seama de frecventa de comutatie fS si de energiile de comutatie WON si WOFF :

(1.3)

Puterea PDINAMIC se disipa in principal in procesul de blocare al dispozitivului. Prin insumarea relatiilor (1.2) si (1.3) se obtin pierderile totale ale dispozitivului electronic de putere functionand in regim de comutatie :

(1.4)

Ponderea celor doua tipuri de puteri disipate este determinata de comutatorul electronic utilizat. Daca pierderile statice sunt dominante frecventa fS de comutatie are o influenta redusa ea fiind limitata superior doar de suma timpilor de comutatie tON si tOFF. Dimpotriva, daca pierderile dinamice au o pondere mai mare, frecventa de comutatie va fi mentinuta sub o valoare maxima fS.MAX care sa permita mentinerea pierderilor la un nivel admisibil. In cele mai multe cazuri dispozitivele electronice de putere lucreaza pe sarcina inductiva. Acest fapt conduce la riscul ca, la comutatia inversa, caracteristica dinamica curent-tensiune sa depaseasca aria de functionare sigura datorita proprietatii inductantelor de a se opune scaderii curentului de sarcina.

) Alexa D., Hrubaru O., Aplicatii ale convertoarelor statice de putere,

Editura Tehnica, Bucuresti, 1989.

2) Alexa D., Gatlan L., Ionescu F., Lazar A., Convertoare de putere cu

circuite rezonante, Editura Tehnica, Bucuresti, ISBN 973-31-1245-3, 1998.

3) Barkhordanian V., Power MOSFET Basics, International Rectifier,

El Segundo, Ca,

4) Bedford B., D., Hoft R., G., Principles of Inverter Circuits, John Wiley

& Sons, New York, 1964.

5) Bodea M, Dan P.,A., Silard A., Brezeanu GH., Popa E., Udrea-Spenea

M., Diode si tiristoare de putere, vol.1-Performante, Editura Tehnica, Bucuresti, ISBN-973-31-0139-7, ISBN-973-31-0140-0, 1989.

6) Bodea M, Teodorescu I., Dragomir R.,., Silard A., Negru S., Popa E., Dan

P.,A., Udrea-Spenea M., Diode si tiristoare de putere, vol.2-Aplicatii, Editura Tehnica, Bucuresti, ISBN-973-31-0188-5, ISBN-973-31-0140-0, 1990.

7) Bosterling W., Kau?en F., Sommer K., H., IGBT-modules: concept-gate

drive- fault protection, European Conference on Power Electronics and Applications, Aachen, Germany, 599-604, 1989.

8) Buhler H., Electronique de puissance, Dunod, Paris, 1989.

9) Buhler H., Electronique de Reglage et de Commande, Traite

d'Electricite, Lausanne, Switzerland: Georgi, 1979.

10) CT-Concept Technology, Intelligent Power Electronics, Description and

Application Manual for Scale Drivers, 1998.

11) Chokhawala R., Catt J., Pelly B., Gate drive considerations for IGBT

modules, IEEE Transactions on Industry Applications, 31, 603-611, 1995.

12) Clemente S., Dubhashi A., Pelly B., IGBT characteristics and

applications, International Rectifier Corporation, Application Note AN-983, 1991.

13) Darie S., Balan H., Palaghita N., Instalatie pentru testarea la vibratii

mecanice a echipamentelor. Partea a II-a : Comanda electronica a generatorului de alimentare a excitatorului de vibratii.

EEA-Electrotehnica , Nr.2, CZ. 621.313.3.: 621.3.013.8, 1985.

14) Dierberger K., Gate Drive Design for Large Die MOSFETs, Advanced

Power Technology, APT 9302, 1994.

15) Dima I., Munteanu I., Materiale si dispozitive semiconductoare, Editura

Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1980.

16) Floricau D., Sisteme de comanda pentru convertoarele statice de putere,

Editura Printech., Bucuresti, ISBN 973-98225-0-9, 1997.

17) Harris Semiconductor, Bipolar Power Transistor, DATABOOK, 1992.

18) Harris Semiconductor, MCT/IGBTs/Diodes, DATABOOK, 1992.

19) Harris Semiconductor, Improved IGBTs with Fast Switching Speed

And High-Current Capability, Application Note, AN8603.2, 1993.

20) Hefner A., R., Jr., An improved understanding for the transient

operation of the power insulated bipolar transistor (IGBT), IEEE Transaction on Power Electronics, 5, 459-468, 1990.

21) Heil H., Reinmuth K., High-side Smart Power Switches with all-round

protection, Components, XXXI, vol. 4, 1996.

22) Humphreys M.,J., (coord.) Power semiconductor applications, Philips

Semiconductor Division, 1992.

23) Iancu V., Biro K., Palaghita N., Viorel I., A., Radulescu M., M., Results

on SCR switch control of a linear induction motor-driven drop hammer, The sixth National Conference on Electrical Drives,