Quasi rezonansowy przekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem sprzężonym

Transkrypt

1 Michał HARASMCZK Politechnika Białostocka, Kateda Automatyki i Elektoniki doi:0.599/ Quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem spzężonym Steszczenie. Atykuł pzedstawia quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem spzężonym. Tanzysto pzekształtnika pzełączany jest pzy zeowym pądzie ze stałym czasem załączenia i ze zmienną częstotliwością. Wykozystanie dławika spzężonego umożliwiło uzyskanie wysokiego współczynnika wzmocnienia napięciowego. Atykuł zawiea analizę matematyczną pzekształtnika potwiedzoną badaniami symulacyjnymi. Abstact. This aticle pesents boost ZCS quasi esonant convete with tapped inducto. The contol is done by pulse width modulation and constant on-time o the tansisto. n this pape theoetic analysis o convete have been pesented. High voltage gain and sot switching tansisto has been achieved. n aticle ae pesented the egulation chaacteistics and method o selection the esonant elements. The pape includes a simulation coniming popely constucted theoetical analysis. (Boost ZCS Quasi Resonant Convete with Tapped nducto). Słowa kluczowe: pzekształtnik C C, pzekształtnik quasi ezonansowy, pzełączanie pzy zeowym pądzie, dławik spzężony. Keywods: C/C convetes, quasi - esonant(qr), zeo cuent switching (ZCS), tapped inducto. Wstęp W wielu aplikacjach enegoelektonicznych (pojazdy elektyczne i hybydowe, systemy otowoltaiczne, systemy magazynowania enegii) wymagane są pzekształtniki zachowujące wysoką spawność pzy jednocześnie wysokim współczynniku wzmocnienia napięciowego. Konwencjonalny pzekształtnik podwyższający napięcie nie spełnia tych wymagań []. Pzekształtniki z wysokim współczynnikiem wzmocnienia napięciowego zazwyczaj wyposażone są w tansomato lub dławik spzężony [4], [8], [7], [9], [0], []. stotny wpływ na spawność układów pzekształtnikowych mają staty mocy spowodowane pzełączaniem półpzewodnikowych elementów mocy. Staty te są w znacznym stopniu zedukowane w pzekształtnikach quasi ezonansowych, w któych dodatkowy obwód ezonansowy umożliwia pzełączanie tanzystoa pzy zeowym pądzie lub pzy zeowym napięciu [], [3], [5], [6]. Wykozystanie miękkiego pzełączania tanzystoów mocy pzekształtnika pozwala ównież na zwiększenie częstotliwości z jaką są one pzełączane. możliwia to edukcję wymiaów eaktancyjnych elementów mocy pzekształtnika (dławików, kondensatoów). ysunku. ławik spzężony L L zapewnia wysoki współczynnik wzmocnienia napięciowego. ławik L oaz kondensato C twozą układ ezonansowy umożliwiający pzełączanie tanzystoa T pzy zeowym pądzie. Czas załączenia tanzystoa jest stały i uzależniony od częstotliwości ezonansowej. Współczynnik wzmocnienia napięciowego uzależniony jest od pzekładni dławika oaz czasu wyłączenia tanzystoa. Analiza pacy pzekształtnika W celu wykonania analizy źódło napięciowe E oaz kondensato C są taktowane jako idealne źódła napięcia. Pominięto indukcyjność ozposzenia dławika spzężonego oaz założono, że enegia zgomadzona w polu magnetycznym tego dławika w czasie jednego okesu sygnału steującego tanzystoem T jest stała. Tanzysto T oaz dioda są taktowane jako łączniki idealne (bak spadków napięcia, zeowe czasy wyłączania i załączania). Pacę pzekształtnika możemy podzielić na pięć chaakteystycznych etapów zgodnie z ysunkiem i ysunkiem 3. Rys.. Quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem spzężonym i tanzystoem pzełączany pzy zeowym pądzie W atykule zostanie zapezentowany quasi - ezonansowy pzekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem spzężonym i tanzystoem pzełączanym pzy zeowym pądzie. Pzekształtnik został pzedstawiony na Rys.. Pzebiegi wybanych napięć i pądów pzekształtnika Pzedział czasu t Na początku pzedziału t pąd dławika L i dławika L są sobie ówne. Tanzysto T jest wyłączony i nie pzewodzi pądu. Enegia zgomadzona w polu magnetycznym dławika pzekazywana jest za pośednictwem diody spolayzowanej w kieunku pzewodzenia do kondensatoa C oaz iążenia R. Enegię zgomadzoną w dławiku spzężonym opisano wzoem (). PRZEGLĄ ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 93 NR 6/07 7

2 () EL L L const. gdzie: E L enegia zgomadzona w dławiku, L indukcyjność dławika L, L indukcyjność dławika L, pąd diody na początku pzedziału czasu t. (6) LL t Pzedział czasu t W pzedziale t enegia ze źódła napięciowego E pzekazywana jest do dławika spzężonego i magazynowana w jego polu magnetycznym. Enegia zgomadzona w polu elektycznym kondensatoa C pzekazywana zostaje do iążenia, dioda jest spolayzowana w kieunku zapoowym. Pąd dławika L w pzedziale t jest sumą pądu dławika L (wzó (4)) i pądu powstałego na skutek ezonansu elementów L i C. Pąd ten opisują wzoy (7) (8). Czas t pzyjmuje watość 0 na początku pzedziału t. C (7) il () t L sin( t ) L / C C (8) gdzie: i L (t) pąd dławika L, ω pulsacja dgań ezonansowych. Na końcu pzedziału t pąd w dławiku L nie płynie, pąd ten można opisać za pomocą wzou (9). Rys.3. Etapy pacy quasi - ezonansowego pzekształtnika podwyższającego napięcie z dławikiem spzężonym i tanzystoem pzełączanym pzy zeowym pądzie (9) 0 sin( t ) ' C L L L / C Następuje załączenie tanzystoa T, pąd dławika L ośnie a dławika L maleje do zea. Enegię w dławiku na końcu pzedziału t możemy opisać zgodnie ze wzoem (). Na końcu pzedziału t pąd dławika L jest ówny pądowi dławika L. () L L LL gdzie: L pąd dławika L na końcu pzedziału t. (3) L N L N L L gdzie: N pzekładnia dławika spzężonego. Na podstawie wzoów () i (3) można wyznaczyć pąd dławika L i dławika L na końcu pzedziału t zgodnie ze wzoem (4). Pąd ten jest uzależniony od pądu diody na początku pzedziału t i pzekładni dławika spzężonego. (4) ( N ) L L gdzie: L pąd dławika L na końcu pzedziału t. Wykozystując dugie pawo Kichhoa możliwe jest wyznaczenie napięcia na kondensatoze ezonansowym C w pzedziale t zgodnie z zależnością (5). 0 E (5) C E N gdzie: C napięcie na kondensatoze C w pzedziale t. Pzedział t zdeiniować można jako czas naastania pądu dławika L pzy stałym spadku napięcia na tym dławiku, zgodnie z zależnością (6). gdzie: L pąd dławika L na końcu pzedziału t. Pzekształcając ównanie (9) wyznaczyć można pzedział t według zależności (0). L / C (0) t acsin L C Waunkiem wyłączania tanzystoa T pzy zeowym pądzie jest zachowanie mniejszego pądu dławika L na końcu pzedziału t niż amplituda pądu powstałego na skutek ezonansu elementów C i L zgodnie z ysunkiem i nieównością (). C () L L / C Napięcie C w pzedziale t pzedstawia wzó (). () u () t cos( t ) C C gdzie: u C (t) napięcie na kondensatoze C. Pzedział czasu t 3 W pzedziale t 3 pąd w dławiku L nie płynie, dioda jest spolayzowana w kieunku zapoowym. Enegia zgomadzona w polu elektycznym kondensatoa C jest pzekazywana do iążenia R. W pzedziale tym następuje liniowe pzeładowanie kondensatoa C pądem L do napięcia C. Szeokość pzedziału t 3 jest uzależniona od napięcia do jakiego został pzeładowany kondensato C w pzedziale t. Wykozystując zależność () wyznaczyć można szeokość pzedziału t 3 według zależności (3). (3) t 3 C cos( t ) C L 7 PRZEGLĄ ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 93 NR 6/07

3 Pzedział czasu t 4 W pzedziale t 4 enegia zgomadzona w polu magnetycznym dławika spzężonego pzekazywana jest do kondensatoa C oaz iążenia R. Pzedział t 4 to óżnica pomiędzy sumą pzedziałów t t 3 a okesem sygnału steującego tanzystoem T. Pzedział ten opisuje zależność (4). t T t t t (4) 4 S 3 gdzie: T s okes sygnału steującego tanzystoem T. Chaakteystyka egulacyjna pzekształtnika Napięciową chaakteystykę egulacyjną omawianego pzekształtnika można wyznaczyć poównując jego moc na wejściu i wyjściu. W tym celu należy obliczyć śedni pąd wejściowy oaz śedni pąd wyjściowy (pąd iążenia ). Pąd iążenia w stanie ustalonym jest ówny śedniemu pądowi diody, któy można wyznaczyć wykozystując wzoy (4) - (4) zgodnie z zależnością (5). (5) L ( TS t t t3) T N gdzie: pąd iążenia R. (6) S L LN LN we t ( t t3) N N N T gdzie: we - śedni pąd wejściowy Wyznaczenie śedniego pądu wejściowego możliwe jest na podstawie ysunku i wzoów (4) (3) według zależności (6). Wpowadzając paamet ψ (wzó (7)) oaz (wzó (8)) pąd iążenia oaz pąd wejściowy opisać można zgodnie z zależnościami () (4). s (7) (8) (9) L L / C C s gdzie: częstotliwość ezonansowa, s częstotliwość sygnału steującego tanzystoem T. Współczynnik wzmocnienia napięciowego omawianego pzekształtnika w stanie ustalonym jest jednocześnie stosunkiem śedniego pądu wejściowego do śedniego pądu wyjściowego (pądu iążenia). Współczynnik wzmocnienia pzedstawia wzó (0). (0) 0 wee 0 ku E gdzie: ɳ spawność pzekształtnika, k u współczynnik wzmocnienia napięciowego. Pzekształcając ównanie (0) na podstawie ównań () i (4) współczynnik wzmocnienia napięciowego pzekształtnika można opisać zgodnie z zależnością (5). Na ysunku 4 zostały pzedstawione napięciowe chaakteystyki egulacyjne omawianego pzekształtnika dla tzech óżnych pzekładni dławika spzężonego. Zwiększanie pzekładni oaz częstotliwości sygnału steującego tanzystoem T wpływa na zwiększanie wzmocnienia napięciowego. we () () (3) (4) (5) L L / C ( cos( t )) T ac C L L C S sin L N C C L L acsin L L N N ( N ) L L L L / C C cos( t) we N acsin L C N C C L Ts k u we LN ac L N ( N ) sin acsin N we N acsin PRZEGLĄ ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 93 NR 6/07 73

4 pądzie (ys. 5). Chaakteystyki wyznaczono dla óżnych pzekładni dławika spzężonego oaz stosunku częstotliwości sygnału steującego tanzystoem T do częstotliwości ezonansowej zawieającego się w pzedziale od 0,3 do 0,8. Rys.4. Napięciowe chaakteystyki egulacyjne układu z ysunku dla tzech óżnych pzekładni dławika spzężonego dla ɳ= Wpływ elementów ezonansowych oaz ezystancji wyjściowej na maksymalny współczynnik wzmocnienia napięciowego W celu zachowania miękkiego pzełączania tanzystoa w omawianym pzekształtniku nie należy pzekaczać pądu dławika L zgodnie z nieównością (). Z dugiej stony dobó elementów ezonansowych zapewniających amplitudę pądu ezonansowego znacznie powyżej maksymalnego pądu L negatywnie wpłynie na staty mocy w pzekształtniku. latego, aby zapewnić możliwie największą spawność pzekształtnika na etapie pojektowym należy dobać elementy ezonansowe zapewniające amplitudę pądu powstałego na skutek ezonansu niewiele większą od maksymalnego pądu dławika L. Pąd tego dławika jest uzależniony od częstotliwości sygnału steującego tanzystoem T, pzekładni dławika oaz pądu wyjściowego zgodnie ze wzoem (). Wielkością pomagającą dobać elementy obwodu ezonansowego pzekształtnika w zależności od ezystancji wyjściowej (czyli w zależności od pądu wyjściowego pzy znanym napięciu wyjściowym) jest stosunek impedancji alowej obwodu ezonansowego (wzó (6)) do ezystancji iążenia. (6) Z gdzie: Z impedancja alowa obwodu ezonansowego. Napięcie na kondensatoze C w pzedziale t wykozystując zależności (5) oaz (0) zapisać można zgodnie z zależnością (7). N 0 0 E k u (7) C E N N Wykozystując wzoy (7) oaz (6) współczynnik ψ można zapisać zgodnie ze wzoem (8). (8) L C LZ LZ N C N R ku Rozwiązując układ ównań składający się z ównań (), (4), (5) i (8) wyznaczono maksymalny współczynnik wzmocnienia napięciowego jaki można uzyskać pzy danym Z/R zachowując pzełączanie tanzystoa T pzy zeowym Rys.5. Maksymalne wzmocnienie napięciowe w unkcji iloazu impedancji alowej obwodu ezonansowego do ezystancji iążenia dla ϵ (0,3;0,8) i ɳ= Badanie symulacyjne pzekształtnika Na poczet badań symulacyjnych został zapojektowany model pzekształtnika o napięciu wejściowym 40 V - 60 V, napięciu wyjściowym 400 V, częstotliwości ezonansowej 00 khz i mocy wyjściowej kw. Pzekładnia dławika została ustalona na N=4. Maksymalny współczynnik wzmocnienia napięciowego wynosi 0, minimalna ezystancja wyjściowa 60 Ω. Zgodnie z chaakteystyką pzedstawioną na ysunku 5 w układzie bezstatnym i pzy założeniu, że enegia zgomadzona w dławiku w czasie jednego okesu pacy pzekształtnika jest stała, maksymalny stosunek impedancji alowej obwodu ezonansowego do ezystancji iążenia tego pzekształtnika wynosi 0,0. Minimalną impedancję alową obwodu ezonansowego analizowanego pzekształtnika można obliczyć zgodnie ze wzoem (9). Z L (9) 3, R C (30) L C 80 gdzie: R = 60 Ω, = 00 khz. Rys.6. Pzebiegi wybanych napięć i pądów analizowanego pzekształtnika dla E=40 V, wy =400 V, P wy = kw 7 74 PRZEGLĄ ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 93 NR 6/07

5 Na podstawie wzoów (9) - (30) możliwe jest obliczenie pojemności oaz indukcyjności ezonansowej. Z powodu stat mocy w pzekształtniku należy pzyjąć impedancję alową obwodu ezonansowego niewiele mniejszą od obliczonej zgodnie ze wzoem (9). Ostateczne paamety obwodu ezonansowego wynoszą: L =,4 uh oaz C =60 nf. Poza elementami ezonansowymi w modelu pzekształtnika wykozystano idealne źódło napięciowe, dławik spzężony o pzekładni N=4, tanzysto RFP4668 (V SS =00 V, R Son =8 mω), diodę STPSC006 (V RRM =00 V) oaz kondensato C=3 uf. Rys.7. Pzebiegi wybanych napięć i pądów analizowanego pzekształtnika dla E=60 V, wy =400 V, P wy =0,5 kw Na ysunkach 6 i 7 pzedstawiono wyniki badań symulacyjnych pzepowadzone w pogamie PSpice dla dwóch óżnych współczynników wzmocnienia napięciowego i dwóch óżnych mocy wyjściowych. Podsumowanie Pawidłowe pzepowadzanie analizy matematycznej pzekształtnika zostało potwiedzone badaniami symulacyjnymi. Pzebiegi uzyskane w wyniku symulacji są zbieżne z teoetycznymi. Pzekształtnik osiąga wysoki współczynnik wzmocnienia napięciowego pzy jednoczesnym pzełączaniu tanzystoa pzy zeowym pądzie. W atykule szczegółowo opisano i omówiono pacę pzekształtnika. Wypowadzono napięciową chaakteystykę egulacyjną. Na ysunku 5 zilustowano zależność umożliwiającą dobó elementów ezonansowych pzekształtnika. ch pawidłowy dobó został potwiedzony wynikami badań symulacyjnych pzedstawionych na ysunku 6. Pąd tanzystoa ( L ) pzy maksymalnej mocy wyjściowej osiąga możliwe największą watość pzy zadanych watościach elementów ezonansowych. Zwiększenie tego pądu skutkowałoby twadym wyłączaniem tanzystoa. Badania zostały zealizowane w amach pacy MB/WE/3/05 i sinansowane ze śodków na naukę MNiSW. Auto: mg inż. Michał Haasimczuk, Politechnika Białostocka, Kateda Automatyki i Elektoniki, ul. Wiejska 45, 5-35 Białystok, m.haasimczuk@doktoanci.pb.edu.pl; LTERATRA [] Choi Bo H., Lee S. W., Thai V. X., T. Rim Chun, A Novel Single-SiC-Switch-Based ZVZCS Tapped Boost Convete, EEE Tansactions on Powe Electonics, 9 (04), n. 0, [] Chunliu C., Chenghua W., Feng H., Reseach o an inteleaved boost convete with ou inteleaved boost convet cells, Asia Paciic Con. on Postgaduate Reseach in Micoelectonics & Electonics (PimeAsia), (009), [3] Citko T., Tunia H., Winiaski B., kłady ezonansowe w enegoelektonice, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, 00 [4] awidziuk J., Review and compaison o high eiciency high powe boost C/C convetes o photovoltaic applications, Bull. Pol. Ac.: Tech. 59 (0), n. 4, [5] Fimansyah E., Tomioka S., Abe S., Shoyama M., Ninomiya T., Steady state chaacteistics o active-clamped ull-wave zeocuent-switched quasi-esonant boost convetes PEMC, (009), [6] Pak K., Moon G., Youn M., High Step-up Boost Convete ntegated With a Tansome-Assisted Auxiliay Cicuit Employing Quasi-Resonant Opeation, 7 (0), n.4, [7] Tomaszuk A., Kupa A., : Step-up C/C convetes o photovoltaic applications theoy and peomance, Pzegląd Elektotechniczny, (03), n 9,5-57 [8] Tomaszuk A., Kupa A., High eiciency high step-up C/C convetes a eview, Bull. Pol. Ac.: Tech. 59 (0), n. 4, [9] Wai R.-J., uan R.-Yong., High Step-p Convete With Coupled-nducto, EEE Tansactions on Powe Electonics, 0 (005), n. 5, [0] Wu T.-F., Lai Y.-S., Hung J.-C., Chen Y.-M., Boost Convete with Coupled nductos and Buck-Boost Type o Active Clamp, Coneence Recod o the 005 ndusty Applications Coneence, (005), [] Wuha L., Xiangning H., A Review o Non-solated High Step- p C/C Convetes in Renewable Enegy Applications, APEC, (00), PRZEGLĄ ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 93 NR 6/07 75