nota power electronics 1

`

JABATAN TENAGA MANUSIA

Prepared By: Mohd Azlan Harun, DEK, ADTECSA1

`



•Definisi

•Masa depan Elektronik Kuasa

•Peranti semikonduktor kuasa

•Litar-litar kawalan elektronik Kuasa

•Kegunaan Elektronik Kuasa

`



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

`



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

`



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 5µs dan 0.1s.

`



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)

`



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

`



`



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

`



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)

`



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

`



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 resapan dan epitaksi hasilkan ciri-ciri diod yang dikehendaki.

v

i

c) Ciri praktik suatu diod

Vf

`



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 pembuatan

ii. Suhu simpang

Apabila katod lebih positif dr. anod:

i. Diod dlm keadaan pincang balikan

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

iii. Ia akan meyebabkan pertambahan magnitud voltan balikan sehingga voltan runtuh (zener) diperolehi.

`



LENGKUNG I-V DIOD

`



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 tRR ini dapat di tentukan menerusi proses resapan dan epitaksi.

v

i

tRR

IRR

`



Masa Pulihan Balikan

-Masa diantara mulanya arus melintasi nilai sifar semasa pertukaran dari pengaliran 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

`



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 = 25µs hingga 30µs

• 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 5µs.

• Kadar pengendalian arus dan voltan setakat beberapa ratus ampere dan volt.

• Cth: Dalam litar pemenggal (chopper)

`



3) Diod Schottky (Schottky diode)

•Biasa digunakan bagi litar yg memerlukan kejatuhan voltan depan yg rendah

•Keluaran adalah rendah

•Keupayaan pengendalian arus dan voltan rendah, iaitu setakat 100V dan 300A.

`



Menentukan kehilangan kuasa dari peranti pensuisan

`



`



Contoh 1:

`



`



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.

`



TRANSISTOR KUASA (BJT)

a) Struktur b) Simbolc) 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

`



Kendalian:

•Arus pengumpul IC adalah fungsi arus tapak IB.

• Perubahan pada IB hasilkan perubahan pada IC untuk VCE tertentu.

• Transistor tidak beroperasi pada mod balikan,

• Kehilangan kuasa adalah fungsi VCE & IC.• Kehilangan kuasa:

P = VCE X IC

Litar Kawalan Beban

`



Contoh 1

Jika nilai voltan bekalan = 200V, Arus di laraskan supaya IC = 10A pada R = 10Ω. Carikan

i) kehilangan kuasa ?

ii) Kecekapan litar ?

`



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

`



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.

`



INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR (IGBT) con’t

Struktur FizikalLitar setara

`



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 b’pengaliran, Get tiada kawalan & terus ON

b) Simbol

`



THIRISTOR con’t

Analisa Litar:

Maka:

Dimana:

ICBO = Arus pengumpul bocor

α = Gandaan arus tapak sepunya

`



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 simpang secara 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

`



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

`



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)

`



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 get –ve.

`



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

`



PERBANDINGAN SUIS (TAHUN 2003)

`



PERBANDINGAN PERANTI

nota power electronics 1

Documents