40541878 nota power electronics 1

7/22/2019 40541878 Nota Power Electronics 1

1/41

`

JABATAN TENAGA MANUSIA

Prepared By: Mohd Azlan Harun, DEK,ADTECSA 1


2/41

`



Definisi

Masa depan Elektronik Kuasa

Peranti semikonduktor kuasa

Litar-litar kawalan elektronik Kuasa

Kegunaan Elektronik Kuasa


3/41

`



Elektronik kuasa merupakan gabungan kuasa, elektrik dan

kawalan

Kuasa : Bidang yang berkaitan dengan peralatan kuasa (statik

atau berputar)

Elektronik : Bidang yang berkaitan dengan peranti keadaan

pepejal dan litar isyarat untuk memenuhi keperluan kawalan.

Kawalan: Ciri dinamik atau mantap bagi sistem gelung tertutup

yang mengawal isyarat.

TAKRIFAN ELEKTRONIK KUASA


4/41

`



Bidang khusus yang terlibat:

1) Rekabentuk suis semikonduktor kuasa yang

boleh dikawal

a) Suis yang pantas b) Kehilangan yg minimum

c) Kos yg murah

2) Rekabentuk litar kawalan get yang cekap dan

tepat

Cth: a) Picuan pada tapak BJT b) Picuan pada get

MOSFET,GTO dan IGBT.

1) Rekabentuk yang mempunyai kadaran terbaik

-Ukuran mak. peranti yang dapat menahan V & I yg

tinggi dlm masa yg singkat.

MASA DEPAN ELEKTRONIK KUASA


5/41

`



PERANTI SEMIKONDUKTOR KUASA Bermula pada tahun 1957, apabila SCR (Silicon Controlled

Rectifier) di perkenalkan.

Peranti semikonduktor di kelaskan seperti berikut:

i) Diod Kuasa

ii) Thiristor Kuasa

iii) BJT Kuasa

iv) MOSFET Kuasa

Beberapa pilihan lain bagi diod:

a) Diod penggunaan umum

- Kadaran setakat 3000V, 3500A dan masa pemulihannya ialah

50ms sehingga 1s.

b) Diod pantas (atau pemulihan pantas)

- Kadaran pengalian setakat 3000V, 1000A, masa pemulihan yg

agak pantas 5s dan 0.1s.


6/41

`



PERANTI SEMIKONDUKTOR KUASA

Beberapa Pilihan Thiristor

a) Thiristor tukar tertib (force-commutated)

b) Thiristor tukar tertib talian (line commutated)

c) Thiristor pengaliran songsang (RCT- Reverse Conducting

Thyristor)

d) Thiristor aruhan statik (SITH- Static Induction Thyristor)

e) GATT (Gate assisted turn-off thyristor)

f) LASCR (light activated SCR)


7/41

`



PERANTI SEMIKONDUKTOR KUASA

Peranti pensuisan semikonduktor di kelaskan mengikut keperluan asas

spt berikut:

i. Pusingan ON/OFF Tak Terkawal ( cth: Diod)

ii. Pusingan ON/OFF Terkawal (cth: Thiristor, BJT, MOSFET)

iii. Isyarat Get Berterusan (contohnya: SCR, GTO)

iv. Keupayaan arus dwihala (contohnya: TRIAC, RCT)

v. Keupayaan arus satu hala (contohnya: SCR, GTO,BJT dan lain-lain)

Ciri Kawalan Peranti Kuasa

- Sebagai suis menerusi kawalan isyarat.

- Kawalan boleh dibuat melalui:

i) Isyarat ke pangkalan get utk peranti thiristor, FET & MOSFET.

ii) Isyarat ke tapak untuk peranti BJT

iii) Isyarat cahaya spt LASCR


8/41

`




9/41

`




10/41

`



LITAR-LITAR KAWALAN ELEKTRONIK

KUASA

Pengkelasan litar elektronik kuasa berdasarkan penukar kuasa yang

terlibat.

Litar-litar yg digunakan dalam kawalan elektronik kuasa:

i) Penerus tak terkawal ( Litar diod)

ii) Penukar ac kepada dc (terkawal dan tak terkawal)

iii) Penukar dc kepada dc (Chopper/pemenggal)

iv) Penukar dc ke ac (Inverter/penyongsang)

v) Suis-suis statik


11/41

`



Panduan mereka bentuk litar elektronik kuasa:

i) Rekabentuk litar

ii) Perlindungan peranti

iii) Penentuan Strategi Kawalan

iv) Rekabentuk litar pemicuan

Kegunaan Elektronik Kuasa

1) Rumah dan tempat kediaman (Cth: peti sejuk, lampu, peralatan

elektronik)

2) Perdagangan (Cth: UPS, peralatan pejabat)

3) Industri (Cth: pam, pemampat, alat-alat mesin, robot)

4) Pengangkutan (Cth: pengecas bateri, kawalan elektronik)

5) Sistem-sistem pengguna (Cth: HVDC)

6) Telekomunikasi (Cth: Pengecas bateri)


12/41

`



Faktor- faktor yang mempengaruhi kepentingan elektronik kuasa:

1) Keupayaan pengendalian kuasa semakin bertambah

2) Kawalan lebih mudah

3) Kos rekabentuk kurang

4) Penggunaan suis dalam pelbagai rekabentuk litar


13/41

`



Diod Kuasa

+-

p n

+-

D

a) Simpang pn diod

b) Simbol bagi diod

Ciri- ciri Diod

Terdiri dari simpang pn.

Simpang pn suatu diod biasanya dibentuk secara pengaloian (alloying),

resapan (diffusion) dan pembesaran epitaksi(epitaxial growth).

Teknik kawalan moden dalam proses resapandan epitaksihasilkan ciri-

ciri diod yang dikehendaki.

v

i

c) Ciri praktik suatu

diod

Vf


14/41

`



Ciri- ciri Diod

Diod berpengaliran dalam keadaan pincang hadapan. Iaitu, anod

lebih positif dari katod.

Diod berpengaliran mempunyai kejatuhan voltan pincang hadapan

melaluinya.

Magnitud kejatuhan voltan disebabkan:

i. Proses pembuatanii. Suhu simpang

Apabila katod lebih positif dr. anod:

i. Diod dlm keadaan pincang balikan

ii. Arus balikan (arus bocor) dalam julat mikro/ mili amperemelaluinya.

iii. Ia akan meyebabkan pertambahan magnitud voltan balikan

sehingga voltan runtuh (zener) diperolehi.


15/41

`



LENGKUNG I-V DIOD


16/41

`



Ciri Pincang Balikan

Arus yg mengalir melalui simpang pn adalah arus penepuan balikan.

Arus ini mengambil masa tertentu utk bersatu dgn cas-cas berlawanan

sebelum menjadi neutral dan tempoh ini di panggil masa pulih balikan tRR.

Arus yg terhasil dari proses in di kenali sbg.Arus pulih balikan IRR.

Masa tRRini dapat di tentukan menerusi proses resapan dan epitaksi.

v

i

tRR

IRR


17/41

`



Masa Pulihan Balikan

-Masa diantara mulanya arus melintasi nilai sifar semasa pertukaran daripengaliran kehadapan kepada keadaan balikan dan masa bila arus

balikan susut menjadi 25% dari nilai puncak balikan.

Nilai ini bergantung kepada:

i) Suhu peranti

ii) Kadar Kejatuhan arus hadapan

iii) Arus kehadapan semasa penukartertiban


18/41

`



Jenis-jenis Diod Kuasa

1) Diod kegunaan am (diod frekuensi talian)general purpose diode

Voltan bagi keadaan hidup (ON) direka supaya nilainya serendah

mungkin.

Masa pulih yg agak tinggi = 25s hingga 30s

Kadar pengendalian arus dan voltan sehingga beberapa ribu ampere

dan volt.

Contoh: dalam litar penerus

2) Diod pulih pantas (Fast recovery diode)

Direka utk litar beroperasi pada frekuensi tinggi, aitu kurang dari 5s.

Kadar pengendalian arus dan voltan setakat beberapa ratus ampere danvolt.

Cth: Dalam litar pemenggal (chopper)


19/41

`



3) Diod Schottky (Schottky diode)

Biasa digunakan bagi litar yg memerlukan kejatuhan voltan depan ygrendah

Keluaran adalah rendah

Keupayaan pengendalian arus dan voltan rendah, iaitu setakat 100V dan

300A.


20/41

`



Menentukan kehilangan kuasa dari

peranti pensuisan


21/41

`




22/41

`




23/41

`




24/41

`


Prepared By: Mohd Azlan Harun, DEK,ADTECSA24

Contoh 1:


25/41

`




26/41

`



CIRI- CIRI SUIS TERKAWAL

1) Pada keadaan tutup (OFF) arus bocor mestilah kecil

2) Voltan keadaan buka, Vo yang kecil supaya kehillangan

kuasa pada keadaan tersebut dikurangkan.

3) Tempoh masa BUKA dan TUTUP yang pantas. Ini

membolehkan peranti digunakan untuk pengendalian

frekuensi yang tinggi.

4) Mempunyai keupayaan voltan hadapan yang besar.

5) Mempunyai penahan balikan yang besar.

6) Kadaran arus keadaan BUKA yang tinggi.

7) Memerlukan kawalan kuasa yang kecil untuk mensuiskan

peranti ini.

8) Berupaya menahan voltan dan arus terkadar yang

berterusan.


27/41

`



TRANSISTOR KUASA (BJT)

a) Struktur b) Simbol

c) Ciri I-V

Ciri-ciri

3 lapisan npn atau pnp

Mempunyai 3 terminal Pengumpul (C),

Tapak (B) & Pengeluar (E)

Peranti pemicuan arus. IB tentukan

transistor keadaan ON atau OFF


28/41

`



Kendalian:

Arus pengumpul ICadalah fungsi arus tapak IB.

Perubahan pada IBhasilkan perubahan pada ICuntuk VCE tertentu.

Transistor tidak beroperasi pada mod balikan,

Kehilangan kuasa adalah fungsi VCE& IC.

Kehilangan kuasa:

P = VCEX IC

Litar Kawalan Beban


29/41

`



Contoh 1

Jika nilai voltan bekalan = 200V,Arus di laraskan supaya IC= 10A

pada R = 10. Carikan

i) kehilangan kuasa ?

ii) Kecekapan litar ?


30/41

`



MOSFET

b) Simbol c) Ciri I-V

a) Struktur

(enhancement)

Ciri-ciri

3 terminal Salir (D), Get (G) & Sumber (S)

Arus mengalir dari D ke S di kawal oleh VGS.

Bila VGS+ve, transistor ON


31/41

`



INSULATED GATE BIPOLAR

TRANSISTOR (IGBT)

a) Simbol b) Ciri I-V

Ciri-ciri

Kombinasi sifat +ve BJT & MOSFET.

Pensuisan laju (200-500nanosaat).

Kejatuhan voltan rendah semasa pengaliran.

Keupayaan membawa arus yg tinggi.


32/41

`



INSULATED GATE BIPOLAR

TRANSISTOR (IGBT) cont

Struktur FizikalLitar setara


33/41

`



THIRISTOR

a) Struktur

b) Ciri I-V

Ciri-ciri

4 lapisan (pnpn) & 3 simpang pn.

3 terminal iaitu Anod (A), Katod (K) & Get (G)

Berpengaliran bila, arus yg kecil mengalir pada terminal Get ke

Katod. Anod lebih +ve dr. Katod.

Bila dlm keadaan bpengaliran, Get tiada kawalan & terus ON

b) Simbol


34/41

`



THIRISTOR cont

Analisa Litar:

Maka:

Dimana:

ICBO = Arus pengumpul bocor= Gandaan arus tapak sepunya


35/41

`



Kaedah Untuk Menghidupkan (ON) Thiristor

1. Menambahkan arus get, IG.

2. Menambahkan suhu pada

simpang peranti, Tj

3. Menambah voltan anod ke

kayod, VAK.

4. Menambah kadaran dV/dt

5. Menyuntik tenaga ke simpangsecara optik

Kesan perubahan arus get

dan voltan VAK

Nilai VAK pada keadaan BUKA (ON)adalah berbeza, bergantung pada IG.

Nilainya anatara 0.3V hingga 0.8V


36/41

`



Kaedah Untuk Mematikan (OFF) Thiristor

Kurangkan arus depan, IAK supaya lebih kecil dari arus

penahan, IH.

Masa tutup ditakrifkan sebagai, tq= trr+ tr

Masa tutup merupakan ciri penting menentukan penggunaannya.

Biasanya di tentukan oleh pembuat peranti.

Gelombang masa pulih bagi thiristor


37/41

`



JENIS-JENIS THIRISTOR

Dikelaskan bergantung kepada binaan fizik, sifat-sifat tutup/buka, kadaran

kuasa, kelajuan pensuisan & lain-lain.

1. Thiristor Kawalan Fasa (SCR)

2. Thiristor Pensuisan Pantas (SCR)

3. GTO (Gate Turn OFF)

4. MCT (MOS Controlled Thiristor)

5. TRIAC (Thiristor Triod Dua Hala)

6. SITH (Static Induction Thiristor

7. LASCR (Light Activated SCR)


38/41

`



GTO (GATE TURN OFF THIRISTOR)

a) Simbolb) Ciri I-V

Ciri-ciri

Prinsip operasi sama dgn thiristor

Beza pada Get picuan. Di hidupkan menerusi

picuan get +ve & dimatikan dgn picuan getve.


39/41

`



MCT (MOS Controlled Thiristor)

Peranti baru, gabungkan MOSFET & thiristor. Diperolehi secara kormesial dari

Harris Semiconductor.

Ciri-ciri:

Kejatuhan voltan hadapan yg. rendah & keupayaan membawa arus yg. besar

semasa keadaan ON.

Kelajuan pensuisan yg. tinggi. (>dr. IGBT, < dr. MOSFET)

Keupayaan DV/dt dan Di/dt yang tinggi.

Boleh dihidupkan (ON) atau dimatikan (OFF) menggunakan litar get.

Simbol P-MCT Simbol N-MCT


40/41

`



PERBANDINGAN SUIS (TAHUN 2003)


41/41

`


P d B M hd A l H DEK ADTECSA41

PERBANDINGAN PERANTI

40541878 nota power electronics 1

Documents