Przetwornica zaporowa (flyback)

Transkrypt

1 Przetwornica zaporowa (flyback) Oparta na przetwornicy odwracającej (obniżająco-podwyższającej) Dzięki transformatorowi: dowolna polaryzacja V sterowanie Q względem masy tak jakby nawinąć dławik 2 równoległymi przewodami niezmienione napięcia i suma prądów, ale Q1 on: przewodzi uzw. pierwotne; D1 on: przewodzi uzw. wtórne 29

2 Transformator zaporowy (flyback transformer) Prąd nie płynie w uzwojeniach jednocześnie, lecz naprzemiennie Takie zachowanie przewiduje jednak model transformatora rzeczywistego gdy ZM jest (stosunkowo) mała im duży i1 i1 im Składowanie energii równanie napięciowe transformatora idealnego spełnione ale prądowe (wartości chwilowe) nie (nawet w przybliżeniu) nie przekazuje energii bezpośrednio, lecz magazynuje z obwodu pierwotnego w jednym takcie, a oddaje do wtórnego w drugim dławik dwuuzwojeniowy w polu magnetycznym, a więc w LM, W = LMiM(pk)2/2 LM (bezwzględnie) nie może więc być mała duży transformator Nie wymaga rozmagnesowania możliwy CCM 0 D < 1 mniejsze n 30

3 Działanie w dwóch taktach pracy v2 = Vg n i2 = 0 i1 = 0 i1 = im i1 = 0 i1 = im i2 = im/n 31

4 Napięcie i prądy transformatora vl V/n v2 = Vg n i2 = 0 i1 = 0 i1 = im i1 i2 i1 = 0 i1 = im i2 = im/n 32

5 Indukcyjność rozproszenia (leakage inductance) W rzeczywistym transformatorze nie cały strumień magnetyczny przechodzi przez wszystkie uzwojenia Dodatkowy strumień można rozpatrywać jako dodatkowe, niesprzężone indukcyjności, włączone w szereg z indukcyjnościami sprzężonymi Wielkość strumienia rozproszenia wartość indukcyjności rozproszenia mniejsza gdy większa μ rdzenia analogia μ do σ, Φ do i tym mniejsza im bardziej kształt regularny toroid mała gdy rdzeń otacza całe uzwojenie kubkowe większa gdy obecna szczelina Skutki przepięcia straty przy przełączaniu pogorszenie regulacji na dodatkowych uzwojeniach wtórnych 33

6 Transformator rzeczywisty Równanie prądowo-napięciowe Indukcyjności własne uwzojeń Indukcyjność wzajemna Efektywna przekładnia (v2/v1) u2 wynika nie tylko z u1, ale także z i2 jak dla każdej cewki i1 wynika nie tylko z i2, ale także z u1 jak dla każdej cewki Opisuje ono schemat zastępczy: Współczynnik sprzężenia w przetwornicach mniejszej mocy zwykle > 0,999 34

7 Całkowita indukcyjność pasożytnicza Składniki indukcyjność rozproszenia Llk często decydująca, ale nie zawsze indukcyjność połączeń strony pierwotnej indukcyjność połączeń strony wtórnej Pomiar uproszczony uzwojenie wtórne zwarte miernik przyłączony do uzwojenia pierwotnego wynik to indukcyjność rozproszenia (wyłącznie) Pomiar dokładny po stronie wtórnej zewrzeć diodę i kondensator wyjściowy (każde z osobna) zminimalizować indukcyjności zwarć wykorzystuje się np. grubą taśmę miedzianą miernik przyłączyć do uzwojenia pierwotnego wynik to sumaryczna indukcyjność pasożytnicza Minimalizacja Ls (całkowitej) jest istotna ze względu na moc strat związanych z przepięciami i ich tłumieniem (n = np/ns) 35

8 Przepięcie na indukcyjności rozproszenia w przetwornicy zaporowej Energia transformatora w drugim takcie (Q off) z indukcyjności magnesowania zasila stronę wtórną z indukcyjności rozproszenia znajduje ujście generując przepięcie (wielokrotność Vin) indukcyjność rozproszenia większa niż w innych topologiach Grozi uszkodzeniem tranzystora konieczne stosowanie tłumików (snubbers) z ograniczeniem napięcia (voltage clamping) moc strat w DZ: VOR = VO n (n = np/ns) 36

9 Właściwości przetwornicy zaporowej Współczynnik przetwarzania napięcia Łatwa realizacja wielu wyjść z warunku stanu ustalonego indukcyjności magnesującej Duże obciążenie napięciowe tranzystorów (Vg + V/n + vov) Wymagana duża indukcyjność magnesująca transformatora D = 1 D tylko 2 elementy w obw. wtórnym jednak kiepska stabilizacja wyjść dodatkowych duże wymiary, szczelina mniejsze przy DCM, ale ipk duża Lleak przepięcia tłumik koszt, straty połowiczne wykorzystanie rdzenia Korzystna przy niskich napięciach wejściowych stosunkowo małej mocy 37

10 Rola transformatora i wykorzystanie rdzenia Dwutaktowe (zaporowa) magazynowanie energii jak dławik duży im duży rdzeń; duża L n n i szczelina Isat, Br, ale też μ, duża Ls Asymetryczne (zaporowa, przepustowa) Symetryczne Jednotaktowe bez szczeliny, uzwojenie dzielone szeregowo przeciw sobnie mała Ls ( B)max = 2Bm lepsze wykorzystanie rdzenia większe moce / mniejsze T B Bm duża μ duża LM mały im uzwojenie rozmagnesowujące: nie wymaga dużego przekroju zajmuje mało miejsca ( B)max = Bm Br B przepustowa zaporowa B Br B ni H mostkowa półmostkowa przeciwsobna Bm 38

11 Porównanie topologii transformator zaporowa przepustowa przeciwsobna półmostkowa mostkowa uzwojenia wykorzystanie rdzenia 50% 50% 100% 100% 100% wyk. uzwojenia pierwotnego 100% 100% 50% 100% 100% wyk. uzwojenia wtórnego 100% 100% 50% 50% 50% duży obciążenia mały mały mały mały sposób rozmagnesowania wbudowane wbudowane przy ograni czeniu D symetryzacja U ton lub ster. prądowe zakres współczyn nika wypełnienia ,5 (n1:n2=1:1) 0 1 * funkcja przetwarzania nd/(1 D) nd nd * 0,5 nd * nd * transformator duży średni dość mały dość mały bardzo mały ind. rozproszenia duża dość mała dość mała mała mała konieczny możliwy niepotrzebny niepotrzebny niepotrzebny prąd magnesujący tłumik symetryzacja U ton symetryzacja U ton lub ster. prądowe 0 1 * 0 1 * * D definiowane w odniesieniu do Ts jak dotychczas; przy definicji do 2Ts: D = 0 0,5, ale funkcja przetwarzania = 2nD nd 2nD 39

12 Porównanie topologii łączniki zaporowa przepustowa przeciwsobna półmostkowa mostkowa ster. bramką wzgl. masy wzgl. masy 2 wzgl. masy półmostek 2 półmostek ster. prądowe b. proste b. proste proste złożone proste Uon Uon Uon Uon (+UESR) 2 Uon 100% 100% 50% 50% 50% liczba tranzystorów spadek potencjału okresy przewodzenia 40

13 Porównanie topologii obszary zastosowań (1) lub inna wartość normy bezpieczeństwa 41

14 Porównanie topologii obszary zastosowań (2) 42

15 Porównanie topologii obszary zastosowań (3) 43

16 Porównanie topologii obszary zastosowań (4) ZVT przetwornice rezonansowe (resonant), z przełączaniem przy zerowym (niskim) napięciu lub prądzie (zero-voltage switching ZVS) 44

17 Zastosowanie w systemach fotowoltaicznych z wyjściem o napięciu sieciowym Zaporowa konieczność magazynowania energii duży transformator, duże przepięcia tłumik niskie Uon, wysokie Uoff dla niskich Ui brak L dla wysokich Uo jeden klucz, wyjście D-C duże prądy DC i AC dla małych Po prosta budowa i sterowanie wbudowane rozmagnesowanie Mostkowa Przeciwsobna Przepustowa ograniczony D dość duży T 3. uzwojenie złożony T, ale małe przepięcie wyjście L-C niższe Uo, ale mniejszy prąd AC większe Po niskie Uoff, wysokie Uon dla wysokich Ui pełne wykorzystanie rdzenia, korzystna funkcja przetwarzania dla b. dużych Po umiarkowane obciążenie łączników oprócz Uoff Q, dość niskie Uon dla niskich Ui korzystna funkcja przetwarzania, pełny zakres D mała n dla wysokich Uo mały transformator, mały i1; wyjście L-C dla dużych Po proste sterowanie proste rozmagnesowanie 45

18 Współczynnik wykorzystania łączników Obciążenie łącznika (stress) Przykład przetwornica zaporowa V szczytowe napięcie blokowania I prąd przewodzenia łącznika skuteczny, szczytowy lub średni Współczynnik wykorzystania (switch utilisation factor) = f(d) powinien być jak największy 46

19 Wykorzystanie łączników a projektowanie przetwornicy transformatorowej Ogólne podejście projektowe projektant może dowolnie wybrać D w ustalonym (środkowym) punkcie pracy osiągnięcie wymaganego napięcia wyjściowego zapewnia odpowiednio dobrana przekładnia transformatora Dla przetwornicy zaporowej: optymalne D = ⅓ przekładnia 2 D < Dopt duże obciążenie prądowe D > Dopt duże obciążenie napięciowe 47

20 Współczynnik wykorzystania łączników dla różnych topologii Dla obniżająco-podwyższających jest niższy niż dla podstawowych za to izolacja nie pogarsza Dla podstawowych transformatorowych jest niższy niż dla dławikowych Oparte na obniżających powinny pracować z najwyższym, z jakim się da 48

21 Realizacja praktyczna w systemie fotowoltaicznym 49

22 Parametry bloku DC/DC Założenia projektowe Składniki mocy strat (przy użyciu pojedynczych tranzystorów bez łączenia równoległego) 50

23 Sterowanie przetwornicy przeciwsobnej Prosty modulator PWM SG3525, sprzężenie napięciowe Topologia umożliwia sterowanie obu tranzystorów względem masy Rozmagnesowanie transformatora zapewnione przez maksymalną symetryzację obwodu drukowanego obu podobwodów strony pierwot nej oraz po stronie wtórnej 51

24 Obwód mocy Diody prostownika muszą być ultraszybkie ze względu na częstotliwość Równoległe połączenia zmniejszają rezystancję tranzystorów zmniejszają moc strat (sumaryczną) kondensatorów zmniejszają moc strat i tętnienie napięcia Zastosowanie tłumików po stronie pierwotnej zmniejsza UDS(off) po stronie wtórnej ograniczenie napięcia, odzysk energii przepięć 52

25 Działanie tłumików 53