Kursplan för Tillämpad kraftelektronik: komponenter och implementering

Kursplanen innehåller ändringar
Se ändringar

Kursplan fastställd 2021-02-10 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnApplied power electronics: Devices and implementations
  • KurskodENM071
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareMPEPO
  • UtbildningsnivåAvancerad nivå
  • HuvudområdeElektroteknik
  • InstitutionELEKTROTEKNIK
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Engelska
  • Anmälningskod 21127
  • Blockschema
  • Sökbar för utbytesstudenterJa

Poängfördelning

0121 Tentamen 7,5 hp
Betygsskala: TH		 7,5 hp
  • 01 Jun 2023 fm J
  • 07 Okt 2022 em J
  • 24 Aug 2023 em J

I program

Examinator

Gå till kurshemsidan (Öppnas i ny flik)

Behörighet

Grundläggande behörighet för avancerad nivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Särskild behörighet

Engelska 6
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

Kraftelektroniska omvandlare
Utöver denna kurs ska studenten uppfylla de kursspecifika förkunskapskraven till MPEPO i Antagningsordningen.

Syfte

Syftet med kursen är att studenterna ska utveckla och uppvisa en förhöjd kunskapsnivå rörande kraftelektroniska komponenter, design av kraftelektroniska omvandlare och deras användningsområden. För de kraftelektroniska komponenterna är det framförallt halvledarkomponenter för kraftelektronik som studeras. Syftet är att belysa vilka egenskaper de olika krafthalvledarna har utifrån ett kraftelektronikperspektiv och hur de påverkar designen av den kraftelektroniska omvandlaren.

Omvandlardesignen innefattar design av drivkretsar för olika ändamål och prestanda, termiska beräkningar, design av snubberkretsar för begränsning av EMI (elektromagnetisk interferens), överström och överspänning samt omvandlar-topologier med mjukswitchning och resonanta kopplingar. Syftet är att studera viktiga aspekter av omvandlardesignen, förutom val av huvudkretskomponenternas märkdata, som behöver tas i beaktning för att en välfungerande omvandlardesign skall erhållas.

Inom användningsområdet studeras applikationer med omvandlare kopplade till elnätet, såsom HVDC och FACTS (High Voltage Direct Current, Flexible Alternative Current Transmission Systems). Exempel på objekt som studeras är UPS-er och elkvalitéförbättringsapparater.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

• Använda ekvivalenta modeller av en MOSFET för att beskriva dess tillslags- och frånslagstransienter.
• Beskriva drivkretsar för MOSFET och IGBT-transistorer, såväl för drivning som tillståndsmonitorering.
• Beskriva hur en tillslags-, frånslags- och överspänningssnubber är konstruerad och hur den fungerar.
• Dimensionera komponenter för tillslags-, frånslags- och överspänningssnubbers baserat på kretsbehovet.
• Analysera oscillationerna över de switchande komponenterna i en verklig krets och designa en snubber som reducerar dessa oscillationer. Förbättringarna skall slutligen kunna implementeras i en verklig krets.
• Teoretiskt beskriva funktionen av en styrkrets för en dc/dc-omvandlare. Designa och praktiskt implementera en styrkrets med tillgörande gatedrivning för att erhålla spänningsreglering, strömstyrning samt överströmsskydd.
• Beräkna ström- och spänningskurvformer i lastresonanta, ZVS och ZCS resonanta omvandlare i det fall då initialvärdena är kända.
• Beskriva viktiga aspekter kring elkvalité/EMI/EMC såsom krav och standarder, kopplingsmekanismer, generering, påverkan samt reduktionsåtgärder. Vidare hur mätningar skall genomföras i denna miljö.
• Utföra förenklade beräkningar av hur kapacitivt och induktivt kopplade störningar propagerar från källa till påverkad krets.
• Välja ett lämpligt filter för olika applikationer såsom DC/DC-omvandlare, begränsning av EMI samt nätanslutna omvandlare.
• Beskriva hur en diod, tyristor, GTO, BJT, IGBT, IGCT och en MOSFET är uppbyggd samt dess funktionsprincip.
• Beskriva och kunna genomföra enklare beräkningar på olika PFC-kretsar samt isolerade dc/dc-omriktare såsom DAB och strömdubblare.
• Genomföra termiska beräkningar på passiva och aktiva komponenter.
• Genomföra livslängdsberäkningar utifrån temperaturprofiler.
• Beskriva omriktare för elektriska drivsystem samt för nätapplikationer. Genomföra förlustberäkningar på såväl halvledarna som dc-ledskondensatorn
• Illustrera användandet av energilagring (t.ex. batterier samt superkapacitorer) i en kraftelektronisk applikation. 
• Ur en ingenjörsmässig synvinkel skall lämpliga komponenter identifieras och dimensioneras för olika omvandlartopologier så att den analyserade omvandlaren uppfyller krav på t.ex. storlek och vikt.
• Modellera kraftelektroniska kretsar med Spice-baserad programvara samt simulera och analysera påverkan på kretsens och dess komponenters prestanda och elektriska stress.

Innehåll

Föreläsningar och övningar:
  • Drivkretsar: för transistorer, MOSFETar, tyristorer och GTOer, unipolär och bipolär drivning, styrkretsar.
  • Snubber kretsar: tillslags-, frånslags- och överspänningssnubber. Förlustfria och RCD-snubber kretsar. Design av snubberkretsar för olika applikationer.
  • Mjukswitchande omvandlare: Serie- och parallellresonanta omvandlare, omvandlare där omslag sker vid ingen spänning eller ingen ström (ZVS, ZCS).
  • Styrning av DC/DC-omvandlare: Användande och design av styrkrets, ström- och spänningsskydd, reglering av spänning och ström.
  • Kraftelektroniska apparater anslutna till elnätet: Elkvalitéförbättrande applikationer och avbrottsfri kraft.
  • Övertoner: uppkomst, påverkan av samt filtrering av övertoner. EMI överväganden.
  • Uppbyggnad och beteende av halvledarkomponenter: dioder, tyristorer, GTOer, MOSFETar, BJTer och IGBTer
  • Olika PFC-kretsar och isolerade dc/dc-omriktare, såsom DAB och strömdubblarkrets
  • Termiska beräkningar på aktiva och passiva komponenter, kylsystem
  • Livstidsmodellering utifrån temperaturprofiler
  • Elektriska drivsystem och omriktare för elnätsapplikationer.
Projektarbete (obligatoriskt):
Ett obligatoriskt projekt som innefattar experimentellt arbete runt designen av en kraftelektronisk omvandlare samt design, modellering och simulering av elektriska kretsar. Mät-, beräknings- och simuleringsresultat från projektet skall presenteras i en skriftlig rapport.

Organisation

Kursen består av 19 föreläsningar (2 x 45 min), 13 övningar (2 x 45 min) och ett praktiskt laborativt projektarbete (28 tim)

Litteratur

Mohan, Undeland, Robbins, Power Electronics, Converters, applications and design, Wiley 2003, 3rd ed.

Examination inklusive obligatoriska moment

Skriftlig tentamen och godkänt projektarbete. Betygsskala, U, 3, 4, 5. 80 % av betyget kommer från den skriftliga tentamen och 20 % från projektet. Den skriftliga examen måste vara godkänd för att få godkänt på kursen.

Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.

Kursplanen innehåller ändringar

  • Ändring gjord på kurstillfälle:
    • 2022-11-21: Block Block A+ tillagt av Monika Råberg Hellsing
      [Kurstillfälle 1]