El-elektronik
De effektelektronik er en gren af elektronik og elektroteknik som omhandler power høj og "-enheder, der konverterer disse i en ikke-elektrisk formular" ( omformer ) og omskifter, med eller uden styring af denne kraft.
Effektelektronik inkluderer undersøgelse, konstruktion og vedligeholdelse:
- elektroniske komponenter, der anvendes med høj effekt ;
- strukturer, kontrol og anvendelser af energikonvertere;
Generel
De effektelektronik , eller mere korrekt "elektronisk energi konvertering" er mindre end 50 år. Det har oplevet et sådant boom, at næsten 15% af den producerede elektriske energi i dag omdannes til en eller anden form. I løbet af disse år faldt størrelsen, vægten og omkostningerne ved omformere kun, hovedsagelig på grund af fremskridt inden for elektroniske kontakter .
Det er en skifteelektronik: det udnytter det faktum, at en perfekt switch lukket (nul modstand, nul terminal spænding) eller åben (uendelig modstand, nul strøm igennem) ikke spreder nogen energi og derfor ikke giver noget tab. Når det kombineres med passive og rent reaktive filtreringselementer (det vil sige uden intern modstand) tillader det teoretisk spændingen og / eller strømmen at blive ændret uden tab, derfor udføres en spændingskonvertering eller strøm ved at spare energi. Dette mål opnås ved at skære spændingen og / eller strømmen ved meget høj frekvens (med hensyn til indgangs- eller udgangsfrekvensen på konverteren) og ved at udjævne det opnåede resultat for at udtrække den gennemsnitlige værdi derfra. I praksis bør man forvente tab i størrelsesordenen 2 til 10% på grund af ufuldkommenheden af de fysiske elementer, der udgør den. Disse rimelige tab berettiger stigningen af denne type elektronik i højeffektsystemer, da de gør det muligt at fjerne den genererede varme uden at bruge ekstreme og dyre midler. Efterhånden er kraftelektronik opstået i alle områder, hvor tabene skal forblive lave for at begrænse overophedning, som i computere, og hvor effektiviteten skal være høj for at bevare energikilden, som i batteridrevne systemer (GSM, GPS, bærbare computere osv.) .
Lad os huske, at en effektomformer med enhedseffektivitet (uden tab) kun kan bestå af ideelle afbrydere og rent reaktive dipoler, derfor uden den mindste parasitære modstand : kondensatorer og induktorer . Reaktive dipoler er energilagringselementer, hvis størrelse (og derfor omkostninger) er omvendt proportional med driftsfrekvensen.
Ud over traditionelle kraftelektronikapplikationer som elektrisk trækkraft og industrielle drev er der kommet nye anvendelsesområder:
- Forvaltning af distributionsnetværket :
-
Den apparatet :
- forskellige variatorer ,
- skifte strømforsyning ,
- induktionskogeplader .
-
Bærbare enheder ( videokameraer , computere osv.):
- opladere til genopladelige batterier intelligente,
- DC / DC konvertering TBT.
- Den bil : meget kraftig stigning i brugen af elektrisk energi i løbende biler og i perspektiv: der vil være et meget stort marked på tidspunktet for den planlagte Skift til 48 (men forsinket?) V eksempelvis med køretøjer hybrider.
Afbrydere
Historisk
Det var inden for højeffektretning, at de første statiske omformere blev udviklet til at erstatte elektromekaniske omformere. I 1950'erne, for elektrisk trækkraft, vendte vi os til løsningen - alternativ transport + kontinuerlig motorisering. De nødvendige statiske konvertere er lavet ved hjælp af kviksølvdamp-ensrettere (ignitroner) med samme funktionalitet som tyristorer.
- De første silicium - effektdioder dukkede op i 1956 og tyristorer i 1961. I 1970'erne blev tyristorer og dioder brugt i selvskiftede enheder som choppere og invertere, de følgende år oplevede udviklingen af bipolære effekttransistorer, som fremmer udviklingen af lave og mellemelektronik til konvertering
- I begyndelsen af 1980'erne skubbede transistoranordninger thyristoranordninger til øget effekt: omkring 1990 blev GTO'er ikke længere brugt undtagen i meget høje kræfter (> 1 MW) eller til spændinger større end 2 kV .
- Den IGBT dukkede op i 1985, først inden for mellemstore magter (et par snese kilowatt), det fortrængte Darlington transistorer . Inden for 10 år bliver det en komponent, der kan bruges med høj effekt.
- Fremkomsten af IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) tyristor omkring 1997 inden for spændinger over 6 kV risikerer at medføre, at GTO- tyristoren forsvinder på mellemlang sigt .
- Inden for området med lave kræfter på grund af dens hastighed og enkelheden af dens kontrol erstatter kraften MOSFET- transistoren den bipolære transistor. Takket være plana integrationsteknikker og boom i det bærbare marked (telefon, computer, CD-afspiller osv.), Der kræver effektiv og miniaturiseret konverteringselektronik, erstatter den endda dioder i applikationer som ensretter (synkron ensretter).
- Komponenterne fremstillet af siliciumcarbid (SiC) vises i 2002. Disse baserede diamanter er stadig under undersøgelse i 2004. Deres stærke ioniseringsenergier muliggør en højere spændingsblokering og / eller høje temperaturoperationer.
- Galliumnitrid GaN lavede sine første skridt i industriel produktion i 2011 med mere interessante egenskaber end SiC med hensyn til omkostninger, anvendelsesmodul og skiftehastighed. Der er endnu ikke et konkret industrielt marked, der bruger denne teknologi, men spændinger på 1600V og ekstremt lave skiftetider bør gøre det til en valgfri komponent til store offentlige markeder som biler, komfortapparater til avionik og andre.
Dioder
De svarer til en ventil i en hydraulisk installation.
To parametre skal tages i betragtning:
- Komponentens maksimale blokeringsspænding, det vil sige den spænding, ud over hvilken sammenbruddet opstår, og derfor ødelæggelsen af dioden.
- Den maksimale intensitet af strømmen, der kan passere igennem den.
De tre vigtigste fejl i komponenten er:
- dens tærskelspænding: V S
- Dens interne dynamiske modstand: R D
- Hans evne parasit C .
Aktuelt findes dioder i flere kategorier:
Power silicium-dioder af dynamisk modstand R D lav. De bruges inden for højeffektomformere som trækkraftomformere. De er lavet i en indkapslet sag. Krydset, der udgør dem, er af typen PiN (P - Intrinsic - N) eller PN-N +. Indførelsen af en meget let doteret zone gør det muligt at opnå en høj blokeringsspænding. Hurtige dioder med lav parasitisk kapacitans C. De har restitutionstider i størrelsesordenen nogle få snesevis af nanosekunder. De Schottky dioder tærskelspænding V S lav og C lav. De består af et metal - halvlederkryds. Sammenlignet med PiN-dioder er tærskelspændingen lavere, men modstanden er højere (dermed et spændingsfald, der afhænger stærkere af strømmen, der strømmer gennem den). De kan fungere ved meget høje frekvenser, men den maksimalt tilladte omvendte spænding er lavere. Af alle disse grunde bruges de hovedsageligt i omformere, der fungerer ved lav spænding og med høj frekvens: skifte strømforsyning. I siliciumcarbid (SiC), de kombinerer C meget lav og højere blokering spænding end konventionelle Schottky dioder men disse forbedringer er på bekostning af forøgelse af V S .Power MOSFET'er
Disse er elektroniske kontakter, hvis blokering eller start styres af en spænding (de opfører sig som døre, der kan åbnes eller lukkes efter ønske). De er de mest anvendte inden for lave og mellemstore kræfter (et par kilowatt).
Deres anvendelsesområde er begrænset til et par hundrede volt, bortset fra det høje frekvensområde, som MOSFET overgår alle andre komponenter.
Deres største ulempe er, at de i tændt tilstand opfører sig som modstande ( R DSon ) på nogle få titalls mΩ. Denne modstand er ansvarlig for ledningstab. Den MOSFET kan også udvise skifte tab, når de anvendes som et skifte i at skifte el- forsyninger . Faktisk skal de parasitære kapacitanser, der er til stede ved dens terminaler, oplades eller aflades ved hver omskiftning, hvilket fører til tab i CV² .
Power bipolære transistorer
Sammenlignet med power MOS-transistorer kræver de mere kompliceret kontrol og har dårligere dynamisk ydeevne. De er imidlertid termisk mere stabile, og frem for alt er de mindre følsomme over for elektromagnetiske forstyrrelser på grund af strømstyring.
IGBT'er
MOS-transistoren er hurtig og nem at kontrollere, men bipolære transistorer har bedre spændingsmodstand og udviser lavere on-state spændingsfald ved høje strømme. Ønsket om at kombinere disse to fordele fødte hybridkomponenter kaldet IGBT'er .
Siden 1990'erne er det de komponenter, der er mest brugt til at fremstille omformere, der fungerer med spændinger fra nogle få hundrede volt til et par kilovolt og med strømme fra nogle få tiere ampere til et par kiloampere.
Tyristorer
Komponent, der fungerer omtrent som en ventil styret af et "dæk-Suisse":
- For at den kan tænde, skal den primes : udløserstrømmen skal opretholdes, indtil hovedstrømmen når låsestrømmen.
- Ved blokering er det nødvendigt at vente i en vis varighed til slukning, så tyristoren effektivt kan blokere omvendt spænding.
Af disse grunde er tyristoren forbeholdt applikationer vedrørende meget høje spændinger (> kilovolt) og høje strømme, hvor dens lavere omkostninger kompenserer for dens tekniske begrænsninger. For eksempel er langdistance eller ubåds jævnstrøm - højspændings ( HVDC ) -link næsten altid lavet med tyristorer.
Eksempel på værdier: Thyristor 16 kV - 2 kA, frekvens 300 Hz .
Hård skift og blød skift
Stigningen i hyppighed af statiske konvertere fører til en stigning i skiftetab i switchene. Disse tab kan reduceres, men frem for alt delokaliseres ved tilføjelse af koblingshjælpskredsløb (er) CALC eller snubber på engelsk, og dette uden at ændre omformerens funktionsmåde.
En anden mulighed består i at ændre omskifternes natur, så de udfører spontan omskiftning, også kaldet blød omskiftning, fordi tabene er nul, men også konverterenes, som derefter skal skabe omskiftningsbetingelserne. Disse konvertere kaldes (kvasi) resonansomformere.
To typer af afbrydere kan bruges, hvilket resulterer i to typer af afbrydere:
- Skift med kontrolleret start og spontan blokering, ligesom thyristor. Blokeringen udføres derefter ved nulkrydsningen af strømmen, kaldet ZCS (Zero Current Switching) på engelsk.
- Skift med kontrolleret blokering og spontan priming. Tændingen udføres derefter ved nul krydsning af spændingen eller ZVS (Zero Voltage Switching) på engelsk.
For at opnå nul krydsning af en af mængderne er det nødvendigt at tilføje et oscillerende kredsløb i enheden, deraf deres navn på kvasi-resonansomformere.
Nogle enheder
Der er generelt fire hovedfunktioner af konvertere i effektelektronik:
- kontinuerlig → kontinuerlig,
- alternerende → direkte og direkte → alternerende
- alternativ → alternativ (med eller uden frekvensændring ).
Men ud over disse rent funktionelle navne er der givet bestemte navne til bestemte omformere.
- Kontinuerlig - kontinuerlig konvertering
- Skiftende - kontinuerlig konvertering
- DC - AC konvertering
- Alternativ - alternativ konvertering
Noter og referencer
- Richard Taillet , Loïc Villain og Pascal Febvre , Dictionary of Physics , Bruxelles, De Boeck ,2013, s. 234.
- Kraftelektronik , på techniques-ingenieur.fr af 10. februar 2016, konsulteret den 21. august 2017
- International Electrotechnical Commission , “Electrical and Magnetic Devices: General” , i IEC 60050 International Electrotechnical Vocabulary , 1987/1994 ( læs online ) , s. 151-11-01.