Introduktion

Hur ser vi till att alla olika moduler i en produkt får rätt spänningar och därmed fungerar som avsett? Vi använder kraftelektronik!
Kraftelektronik är den gren av elektrotekniken som behandlar anpassning av spänningar och strömmar för att leverera effekt för olika behov. Det omfattar allt från hushållselektronik till utrustning för rymdtillämpningar.
Syftet med kraftelektronik är att skapa en stabil och tillförlitlig elförsörjning med önskade specifikationer

Återkopplingsslinga

Vid elproduktion, särskilt från förnybar energi, måste den producerade effekten anpassas till elnätets spänningskrav. En solcell som genererar likström ger exempelvis inte en konstant spänning, så det är viktigt att utnyttja så mycket som möjligt av energin från solcellerna. Den maximalt tillgängliga effekten måste tas ut från cellens utgång och överföras till nätet med högsta möjliga verkningsgrad. För att inte slösa energi från solceller används ofta uppladdningsbara batterier för att lagra energi som inte behövs för tillfället, så att den kan användas senare och därmed utnyttjas effektivt. Det ökar nyttan av elproduktionen och är ett exempel på effektiv användning av energi från förnybara energikällor. Detta görs ofta genom att skapa en återkopplingsslinga i kretsen. En återkopplingsslinga mäter vissa spänningar i kretsen för att kontrollera att de är som önskat. Om de inte är det görs beräkningar i kretsen för att korrigera felen. Ju snabbare korrigeringarna beräknas och utförs, desto känsligare är återkopplingsregleringen. Figur 1 nedan visar ett blockschema över ett typiskt kraftelektroniskt system.

Figur 1: Blockschema över ett typiskt kraftelektroniskt system. I exemplet med solceller skulle effekten de producerar vara ingången. Ingången varierar och är inte konstant, men vi vill ha en konstant utgång utan variationer. Det är typiskt för elektronik. Vi använder därför en återkopplingsslinga för att bestämma och korrigera felet. Korrigeringsmetoden beror på den aktuella tillämpningen, men återkopplingsfelet är skillnaden mellan den uppmätta utgången och den önskade referensen.

Det viktigaste elementet i ett kraftelektroniskt system är en switchad effektomvandlare. En switch fungerar som en förbindelse mellan olika delkretsar. När den är sluten förbinder den en delkrets med en annan, och när den är öppen finns ingen förbindelse mellan delkretsarna. Eftersom ett systems verkningsgrad är mycket viktig inom kraftelektronik är det relevant att diskutera de förluster som uppstår i en krets vid omkoppling.

Switchförluster
Switchförluster uppstår när en switch slås på (sluts) och av (öppnas). När en switch exempelvis slås på sjunker spänningen över den till ett lågt värde från den spänning som blockerades i avstängt läge. Samtidigt stiger strömmen genom enheten från noll till belastningsströmmen eller strömmen till det som switchen ansluter. Eftersom processen inte sker omedelbart utan tar en ändlig tid, och spänning och ström förändras under tiden, uppstår effektförluster. Dessa kallas switchförluster. Varje gång vi ansluter eller kopplar bort delkretsar uppstår alltså switchförluster eftersom vi inte kan koppla om omedelbart. 

Typer av kraftelektroniska kretsar

Beroende på kretsens syfte kan vi behöva omvandla ingången till en viss typ av utgång. Vi kanske vill höja eller sänka spänningen eller gå från likspänning till växelspänning eller tvärtom. Till detta använder vi omvandlare.

 
Figur 2: Grundläggande typer av effektomvandlare.

Det finns många olika omvandlare som kan omvandla ingångarna till utgångarna i figur 2. Låt oss gå igenom en för varje typ av omvandlare:

En buck-omvandlare används exempelvis för att omvandla en likspänning till en lägre likspänning. En boost-omvandlare, som du kanske har gissat, höjer spänningen så att utgången är högre än ingången.
En likriktare, som också nämns i artikeln om analoga kretsar, kan omvandla en växelströmssignal till likström, och en växelriktare omvandlar likström till växelström.
Slutligen kan man för omvandling från växelström till växelström använda en cyklokonverter, även kallad en frekvensomvandlare.

Betydelsen av kraftelektronik

Den ökande elektrifieringen har lett till ett större behov av elektrisk effekt. Vi använder mycket elektrisk energi i dagens värld, så det är viktigt att slösa så lite som möjligt. Utöver elproduktion spelar effektomvandling därför en avgörande roll för att effektivt utnyttja den tillgängliga energin. Den råa elektriska effekten måste omvandlas till en form som kan användas i olika tillämpningar. Kraftelektronik är viktig för att leverera ström enligt önskade specifikationer. En elektrisk produkt kan alltså bestå av många olika moduler som var och en behöver olika spänningar för att fungera optimalt, och det är precis vad kraftelektronik handlar om.