DARIUSZ SOBCZYŃSKI 1, JACEK BARTMAN 2

Transkrypt

1 Wydawnictwo UR 2016 ISSN ISSN online Edukacja Technika Infomatyka n 4/18/ DOI: /eti DARIUSZ SOBCZYŃSKI 1, JACEK BARTMAN 2 Model symulacyjny pzeciwsobnego pzekształtnika DC/DC podwyższającego napięcie z szeegowym obwodem ezonansowym The simulation model of push-pull DC/DC step-up voltage convete with the seies esonant cicuit 1 Dokto inżynie, Politechnika Rzeszowska, Wydział Elektotechniki i Infomatyki, Kateda Enegoelektoniki, Elektoenegetyki i Systemów Złożonych, Polska 2 Dokto inżynie, Uniwesytet Rzeszowski, Wydział Matematyczno-Pzyodniczy, Kateda Inżynieii Komputeowej, Polska Steszczenie Celem pacy było wykonanie symulacji pzeciwsobnego pzekształtnika DC/DC podwyższającego napięcie z szeegowym obwodem ezonansowym. Wykonano badania symulacyjne układu otwatego za pomocą pogamu PSIM. Końcowym etapem było pzepowadzenie analizy wyników symulacji. Słowa kluczowe: pzekształtnik enegoelektoniczny, pzekształtnik pzeciwsobny. Abstact The aim of this thesis was the ealization of simulation of DC/DC push-pull convete fo voltage step up with seies esonant. Thee wee pefomed simulation eseaches of open cicuit in PSIM. The final stage was the analysis of simulation esults. Key wods: powe electonics convete, push-pull convete. Wstęp W wielu zastosowaniach wykozystywane są zasilacze impulsowe o dużym wzmocnieniu napięciowym. Genealnie tam, gdzie wykozystywane są akumulatoy, napięcie po stonie piewotnej nie jest wysokie i stąd potzeba jego dopasowania do poziomu wymaganego pzez zasilany odbionik, w wielu pzypadkach znacznie pzekaczający poziom źódeł enegii. Również badzo istotna jest spawność układu ze względu na oganiczone zasoby enegii zgomadzonej w niskonapięciowych magazynach enegii. Tego typu pzekształtniki wykozy- 400

2 stywane są szczególnie w systemach enegetycznych wykozystujących odnawialne źódła enegii, ogniwa paliwowe, systemy zasilania gwaantowanego UPS czy też w układach napędowych stosowanych w samochodach [Malska, Buczek 2010: 4; Binkowski 2015: 1]. Dlatego pzekształtniki DC/DC o wysokiej spawności i dużym wzmocnieniu napięciowym są badzo pożądane. Ze względu na niskie napięcie źódła enegii pzez elementy pzekształtnika pzepływa pąd o znacznym natężeniu, wpływając na watość stat mocy [Kupa i in 2012: 2]. W atykule pzedstawiono wyniki badań symulacyjnych pzekształtnika DC/DC typu BOOST w topologii pzeciwsobnej. Zadaniem analizowanego pzekształtnika jest podwyższenie watości napięcia niskonapięciowego źódła do poziomu napięcia odbionika z jak najmniejszymi statami mocy. Istnieje wiele ozwiązań mogących spełniać pzedstawione wymogi, jednakże osiągane jest to pzy badzo dużym współczynniku wypełnienia impulsów D, dużej złożoności układu oaz znacznych kosztach poponowanych ozwiązań [Silva i in. 2009: 5]. Wykozystanie pzekształtnika pzeciwsobnego ze spzężonymi indukcyjnościami pozwala na osiągnięcie dużego wzmocnienia napięciowego pzy zachowaniu wysokiej spawności pzekształtnika i niedużego współczynnika wypełnienia impulsów. Wybó topologii pzekształtnika podwyższającego napięcie w układzie pzeciwsobnym Jak wspomniano we wstępie, paca z dużym współczynnikiem wypełnienia impulsów powoduje, że element aktywny pzekształtnika musiałby pacować z dużymi watościami pądów (wejście niskonapięciowe) pzy jednocześnie dużych watościach napięcia (wyjście wysokonapięciowe), co paktycznie wyklucza możliwość zastosowania takiego ozwiązania. Mamy więc do czynienia z wieloma negatywnymi zagadnieniami występującymi w podstawowej topologii pzekształtnika podwyższającego napięcie, jak np. duża watość pądu wstecznego diody występującej w obwodzie pzekształtnika (ys. 1), staty enegii tanzystoa związane z głównie z pocesami łączeniowymi, występowanie indukcyjności ozposzenia o znacznej watości, któa indukuje napięcie o dużej watości oaz stomości na łączniku aktywnym, w końcu występowanie dużych stomości pądów w elementach półpzewodnikowych. Rys. 1. Podstawowa topologia pzekształtnika DC/DC podwyższającego napięcie 401

3 Rozwiązaniem wymienionych poblemów jest zastosowanie pzekształtnika w układzie pzeciwsobnym (ys. 2). Układ taki spełnia waunek zapewnienia dużej gęstości mocy, co możliwe jest do zealizowania dzięki wysokiej częstotliwości pzełączania. Liczne zalety wysokiej częstotliwości łączeń, takie jak zmniejszenie ciężau elementów pasywnych (cewki, tansfomatoy), są oganiczona pzez staty mocy na elementach półpzewodnikowych. Stąd wysoka częstotliwość pzełączania ma zastosowanie tylko wtedy, gdy staty pzełączania będą zedukowane. Osiąga się to pzez zastosowanie technik ezonansowych z pzełączaniem pzy zeowym napięciu (ZVS) lub pzełączaniem pzy zeowym pądzie (ZCS) [Liu, Lee 1990: 3]. Rys. 2. Pzekształtnik DC/DC podwyższający napięcie w układzie pzeciwsobnym Zapoponowano zmodyfikowaną wesję pzekształtnika z szeegowym obwodem ezonansowym pozwalającą na pzełączanie pzy zeowym napięciu (ZVS), któą pokazano na ys. 3. Pzedstawioną topologię cechuje zastosowanie kondensatoów i cewek w obwodach łączników enegoelektonicznych pozwalających na uzyskanie obwodu ezonansowego. Łączniki aktywne (IGBT1 i IGBT22) są włączone napzemiennie. Czas załączenia jest tak dobany, iż pąd płynący pzez cewki i uzwojenia tansfomatoa nie powoduje nasycenia dzenia. Enegia ze źódła jest pzekazywana popzez tansfomato wysokoczęstotliwościowy do obciążenia. Występowanie indukcyjności magnesowania tansfomatoa pomaga w utzymaniu stałej watości pądu wyjściowego. Cewki (L 1 i L 2 ) i kondensatoy (C 1 i C 2 ) twozą szeegowy układ ezonansowy. W zapoponowanej topologii zachodzi tzw. miękkie pzełączania zaówno elementu aktywnego (tanzysto), jak i pasywnego (dioda), dodatkowo następuje złagodzenie poblemów związanych z odzyskiwaniem własności zapoowych pzez diodę (watość i stomość pądu wstecznego). 402

4 Rys. 3. Pzeciwsobny pzekształtnik DC/DC podwyższający napięcie z szeegowym obwodem ezonansowym Badania symulacyjne Badania symulacyjne pzepowadzano w obwodzie pzedstawionym na ys. 3. Pzyjęte następujące paamety: napięcie wejściowe U we = 37 V; pzekładnia tansfomatoa n = 5; indukcyjność w obwodzie stałopądowym L DC = 4,7 mh; pojemność w obwodzie stałopądowym C DC = 220 uf; częstotliwość pzełączania: fs = 60 khz. Do obliczenia paametów obwodu ezonansowego wykozystano następujące założenia: w celu umożliwienia pzełączania elementów półpzewodnikowych pzy zeowym napięciu (ZVS) powinien być spełniony waunek I m Z 0 > 2U DC => Z0 = 25 (założono), impedancja chaakteystyczna Z 0 = / L C, częstotliwość ezonansowa f o = 1/2 / L C. Wykozystując pzedstawione zależności, obliczono watości pojemności kondensatoów C 1 = C 2 = μf i indukcyjności L 1 = L 2 = 36 μh dla obwodu ezonansowego. 403

5 Rys. 4. Wyniki badań symulacyjnych: pzebiegi napięcia UDC i pądu wyjściowego IDC Rys. 5. Wyniki badań symulacyjnych: pzebiegi napięcia na kondensatoze UC1 i cewce UL2 obwodu ezonansowego Rys. 6. Wyniki badań symulacyjnych: pzebiegi mocy chwilowej I(IGBT2)*UC1 i stat mocy czynnej AVG(I(IGBT2)*UC1) na łączniku n 2 404

6 Napięcie wejściowe z poziomu 37 V jest podnoszone do watości 185 V (ys. 4). Zmiany watości napięcia na elementach obwodu ezonansowego pzedstawiono na ys. 5. Maksymalna watość napięcia kondensatoa obwodu ezonansowego wynosi ok. 2/3 watości napięcia wyjściowego. Z pzebiegów pzedstawionych na ys. 6 wynika z kolei, że staty mocy związane z pocesami łączeniowymi półpzewodnikowych elementów enegoelektonicznych są paktycznie zeowe. Podsumowanie Celem pacy było pzepowadzenie badań symulacyjnych pzeciwsobnego pzekształtnika DC/DC podwyższającego napięcie z szeegowym obwodem ezonansowym. Na podstawie otzymanych pzebiegów można stwiedzić następujące zalety zapoponowanej stuktuy: popawne pzełączanie pzy zeowym napięciu łącznika z wykozystaniem enegii zgomadzonej w indukcyjności filtów; czas ustabilizowania się napięcia wyjściowego, tzn. czas niezbędny do uzyskania zadanego poziomu napięcia wyjściowego, jest kótki. Liteatua Binkowski T. (2015), Univesal High Speed Induction Moto Dive, Analysis and Simulation of Electical and Compute Systems, Spinge Intenational Publishing. Kupa A. (2012), Ekspeymentalne poównanie pzekształtników dc/dc podwyższających napięcie do zastosowania w fotowoltaice, Elektyka z Liu K.H., Lee F.C.Y. (1990), Zeo-Voltage Switching Technique in DC/DC Convetes, IEEE Tansactions on Powe Electonics vol. 5, no. 3. Malska W., Buczek K. (2010), Wykozystanie enegoelektoniki w odnawialnych źódłach enegii, Lviv Polytechnic National Univesity. Technical News z. 1(31), 2(32). Silva F., Feitas A., Dahe S., Ximenes S., Sousa S., Junio E., Antunes F., Cuz C. (2009), High Gain DC-DC Boost Convete With a Coupling Inducto, IEEE. 405