Motywacje stosowania impulsowych przetwornic transformatorowych wysokiej częstotliwości

Transkrypt

1 Motywacje stosowania impulsowych przetwornic transformatorowych wysokiej częstotliwości Podwyższenie napięcia w dużym stosunku (> 2 5) przy wysokiej η dzięki transformatorowi Zmniejszenie obciążeń prądowych i napięciowych p.p.m. dzięki transformatorowi (jeśli odpowiednio dobrana topologia) Zmniejszenie wymiarów elementu magnetycznego dzięki transformatorowi (zamiast dławika) i wysokiej częstotliwości Izolacja galwaniczna wejścia i wyjścia dzięki transformatorowi bezpieczeństwo użytkowania Uzyskanie wielu napięć wyjściowych dzięki możliwości wykonania wielu uzwojeń wtórnych cele w systemach fotowoltaicznych: rozdział obciążeń w systemach autonomicznych specyficzne aplikacje niskonapięciowe (np. ładowarki wielokanałowe) porządnie stabilizowane poprzez zmianę D może być tylko jedno wyjście, pozostałe (cross-regulation) gorzej Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 11

2 Schemat zastępczy transformatora bezstratnego z idealnym sprzężeniem uzwojeń Schemat należy uzupełnić o indukcyjność magnesującą (główną) L M (L μ ) zwykle umieszczana po stronie pierwotnej, chociaż można by ją skojarzyć z dowolnym z uzwojeń (niezbyt użyteczne w analizie układów) indukcyjność, jaką zaobserwujemy/zmierzymy rozwierając wszystkie uzwojenia wtórne i wymuszając napięcie na pierwotnym pozwala opisać przepływ prądu w stanie rozwarcia zwarcie dla składowej stałej transformator jej nie przenosi zastępczy schemat elektryczny pozwalający wyznaczyć zależności między napięciami i prądami konstrukcja fizyczna Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 12

3 Indukcyjność magnesująca (magnetising inductance) Stosuje się do niej równanie cewki Prąd magnesujący i M i prądy uzwojeń (i 1, i 2, i 3 ) są niezależne W dobrze zaprojektowanym transformatorze L M jest duża Z M Z L (sumaryczna impedancja obciążenia przeniesiona na stronę pierwotną) i M i 1 ; i 1 i 1 Prąd i M nie jest mierzalny ale obserwowalne są skutki jego obecności Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 13

4 Nasycenie rdzenia transformatora Indukcyjność magnesująca opisuje też magnesowanie rdzenia Rdzeń nasyca się przy zbyt dużym i M (nie i 1 ) μ = db/dh L M i M straty mocy v 1 przestaje przenosić Ale energię przenosi i 1 (nie i M ) w przeciwieństwie do dławika gdzie te prądy są tożsame nasycenie przy większej mocy przetwarzanej lub mniejszy rdzeń dla uzyskania takiej samej W = L M i 2 M /2 W stanie ustalonym W(T s ) = W(0) i M (T s ) = i M (0) w przypadku transformatora to musi zapewnić układ rozmagnesowanie rdzenia (core reset) inaczej i M będzie ciągle narastał, co doprowadzi do nasycenia Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 14

5 Przetwornica mostkowa (full-bridge) Należy do grupy pochodnych od obniżającej identyczny (częściowo podwojony) podobwód wyjściowy Transformator można rozpatrywać jako 3-uzwojeniowy (1:n:n) oba uzwojenia wtórne jednakowe Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 15

6 Przebiegi prądów i napięć W każdym takcie v 2 = v 3 = nv 1 Takt 1 Q 1 Q 4 / Q 2 Q 3 on v T = v 1 = ±V g di M /dt Takt 2 Q 1 Q 4 off i 1 = 0 i 1 = i M i v 2 = v 3 < 0 D 6 on i D5 i D6 i/2 i const v 2 0 v T = v 2 /n 0 i M const Częstotliwość pracy L, C f s ; Q, T f s / 2 Rozmagnesowanie wymaga równych D w obu okresach T s ew. Q 2 Q 4 albo Q 1 Q 3 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 16

7 Prądy diod strony wtórnej w takcie 2 Gdyby nie występował prąd magnesowania uzwojenie pierwotne rozwarte W rzeczywistości stąd z równania transformatora z prądowego prawa Kirchhoffa więc prąd wyjściowy dzieliłby się równo między diody D 5 i D 6 i M może płynąć przez uzwojenie pierwotne, wtórne lub wszystkie rozpływ zależy od rezystancji przyrządów półprzewodnikowych oraz indukcyjności rozproszenia Uwzględniając prąd magnesujący prąd magnesujący wprowadza asymetrię do obwodu wtórnego i D5 = i D6 = i/2 i M ni Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 17

8 Niezrównoważenie transformatora Aby transformator znajdował się w stanie ustalonym, v 1 dt = 0 (za 2T s ) W rzeczywistej przetwornicy nie jest to nigdy dokładnie spełnione rozrzut spadków napięć na tranzystorach rozrzut czasów przełączania nieidealność elementów układu sterowania (np. różnice w opóźnieniach) Prąd magnesujący będzie rósł z (podwojonego) okresu na okres Eliminacja niezrównoważenia niewielkie może zostać samoczynnie skompensowane w wyniku zmiany spadków napięć wskutek wzrostu prądu magnesującego kondensator w szereg z uzwojeniem pierwotnym niezrównoważenie spowoduje głównie odłożenie napięcia stałego na nim (a nie na uzwojeniu) sterowanie prądowe wartością szczytową: tranzystory są wyłączane w momencie osiągnięcia określonej wartości chwilowej prądu takiej samej dla obu okresów Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 18

9 Działanie przetwornicy mostkowej Funkcja przetwarzania napięcia v s = v L + v C = v L + V z warunku stanu ustalonego dla dławika v L = 0 jak dla obniżającej, tylko dodatkowo z przekładnią Może też pracować w DCM Diody D 1 D 4 obcinają przepięcia na tranzystorach do [0; V g ] (CCM) 0 D < 1 przy niskim obciążeniu (tak że prąd po stronie wtórnej spada do zera) zapewniają ścieżkę dla prądu magnesującego 4 tranzystory duży sumaryczny spadek potencjału komplikacja sterowania Stopień wykorzystania rdzenia dobry dwukierunkowe magnesowanie uzw. pierwotnego dobry w każdym okresie przenosi energię uzw. wtórnego połowiczne każda połowa przenosi energię tylko w co drugim okresie W takcie 2 płynie prąd bez transmisji energii zbędne straty mocy Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 19

10 Przetwornica półmostkowa (half-bridge) Jedna para tranzystorów zastąpiona przez duże C a = C b w stanie ustalonym VCb = v Q2 = V g /2 gdyż v T = 0 kondensator C a można pominąć (zwiększając C b ) v T dwukrotnie mniejsze (niż w mostkowej) tak samo v s Aby skompensować 2-krotny spadek M, można podwoić n i 1 moc strat Mniej tranzystorów zredukowana moc strat Stosowana przy niższych napięciach / mocach niskonapięciowe tranzystory na duże prądy są w miarę tanie istotny niski sumaryczny spadek potencjału Sterowanie prądowe trudne pomiar i Q1 niekonieczne C a, C b Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 20

11 Przetwornica przeciwsobna (push-pull) Oparta na obniżającej Obwód wtórny identyczny jak w mostkowej i półmostkowej Po stronie pierwotnej wyłącznie 2 tranzystory zawsze tylko 1 łącznik włączony między źródłem a uzwojeniem korzystne przy małych napięciach wejściowych Przebiegi jak w mostkowej Funkcja przetwarzania Pełen zakres 0 D < 1 można zmniejszyć n mniejszy prąd wejściowy mniejsze straty mocy, gabaryty i koszt elementów Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 21

12 Działanie Transformator wykorzystanie jak w mostkowej, ale uzwojenia pierwotnego połowiczne niezupełne rozmagnesowanie jak w mostkowej Sterowanie bezpośrednio przez D odradzane zalecane prądowe Topografia obwodu drukowanego niezbędna symetryzacja po stronie pierwotnej: V g oba Q oba L pri zalecana po wtórnej Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 22

13 Przetwornica przepustowa (forward) Oparta na obniżającej Tylko 1 tranzystor korzystne przy małych napięciach / mocach Wyjście LC ciągły prąd małe tętnienie napięcia mały prąd kondensatora niezależny od obciążenia korzystne dla dużych obciążeń Tryb pracy L M (+D 1 ) tylko DCM L (+D 3 ) DCM lub CCM Ograniczony zakres D Wykorzystanie transformatora rdzenia połowiczne, bo jednokierunkowy i M Φ uzwojeń dobre, bo każde przewodzi w każdym okresie Brak niepotrzebnych strat takt 1 prawie cały prąd przenosi energię (i 1 i M ) takt 2 mały i 2 = i M n 1 /n 2 takt 3 i 1 = i 2 = i 3 = i M = 0 0 D 0,5 dla n 1 = n 2 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 23

14 Działanie takt 1 v M = v 1 = V g > 0 v D3 = v 3 = v 1 n 3 /n 1 = V g n 3 /n 1 > 0 i 1 = i M + i 1 = i M + ( i 3 ) n 3 /n 1 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 24

15 Działanie takt 2 v 3 = v 2 n 3 /n 2 = V g n 3 /n 2 < 0 i 2 = i 1 n 1 /n 2 = i M n 1 /n 2 v M = v 1 = v 2 n 1 /n 2 = V g n 1 /n 2 < 0 v Q1 = V g + v M = V g (1 + n 1 /n 2 ) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 25

16 Działanie takt 3 Gdy i M spada do 0, D 1 wyłącza się, gdyż także i 2 = 0 Brak ścieżki dla ujemnego i M i M = 0 = const v M = v 1 = 0 v DS = V g Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 26

17 Rozmagnesowanie transformatora Warunkowo pełne i automatyczne z zasady działania Typowy wybór: n 1 = n 2 D ½ w przeciwnym razie ujemne napięcie przyłożone zbyt krótko v 1 dt > 0 i M stopniowo narasta Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 27

18 Współczynnik przetwarzania napięcia i obciążenie napięciowe tranzystorów NPK dla obwodu wyjściowego v D3 = v L + v C = 0 + V Zmniejszenie transformatora (n 3 ) możliwe gdyby D max co wymaga n 2 /n 1 bo wówczas i M opada (rozmagnesowanie) szybciej w takcie 2 Jednak maksymalne napięcie na tranzystorze w takcie 2 D max v Q1(max) dla n 1 = n 2 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 28