WPŁYW DOBORU RDZENIA DŁAWIKA NA CHARAKTERYSTYKI PRZETWORNIC BOOST

Transkrypt

1 ELEKTRYKA 213 Zeszyt 1 (225) Rok LIX Krzysztof GÓRECKI 1, Janusz ZARĘBSKI 1, Kalina DETKA 2 1 Akaemia Morska w Gyni, Katera Elektroniki Morskiej 2 Pomorska Wyższa Szkoła Nauk Stosowanych w Gyni WPŁYW DOBORU RDZENIA DŁAWIKA NA CHARAKTERYSTYKI PRZETWORNIC BOOST Streszczenie. W pracy przestawiono wyniki pomiarów charakterystyk przetwornicy boost uzyskanych z zastosowaniem ławików z różnymi rzeniami ferromagnetycznymi. Otrzymane wyniki baań wskazują, że rzenie ze sproszkowanego żelaza powinny być używane w przetwornicach o małej rezystancji obciążenia, a rzenie ferrytowe w przetwornicach pracujących przy użych rezystancjach obciążenia. Rzenie nanokrystaliczne umożliwiają uzyskanie trybu CCM w szerokim zakresie zmian rezystancji obciążenia. Słowa kluczowe: ławik, rzeń ferromagnetyczny, przetwornica boost INFLUENCE OF CHOSING OF A CORE OF A CHOKING-COIL ON THE CHARACTERISTICS OF BOOST CONVERTERS Summary. In the paper some results of measurements of characteristics of the boost converter obtaine at the use of choking-coils with ifferent ferromagnetic cores are presente. These results show that power cores shoul be use in converters operate at small values of the loa resistance, whereas ferrite cores - in converters operating at large values of the loa resistance. Nanocrystalline cores make possible to obtain CCM in a wie range of changes of the converter loa resistance. Keywors: choking-coils, ferromagnetic cores, boost converters 1. WPROWADZENIE Tranzystorowe przetwornice c-c stanowią postawowy blok funkcjonalny zasilaczy impulsowych, powszechnie używanych we współczesnych urzązeniach elektronicznych. Przetwornice takie wykorzystują typowo ławiki w charakterze elementów magazynujących energię [1, 2]. Do grupy takich przetwornic, nazywanych przetwornicami ławikowymi [1], należy m.in. przetwornica boost.

2 8 K. Górecki, J. Zarębski, K. Detka Postawowym parametrem ławika jest maksymalna wartość energii gromazonej w tym elemencie, która jest proporcjonalna o wartości inukcyjności ławika i kwaratu wartości prąu tego elementu [1]. Na skutek nieliniowości charakterystyki magnesowania rzenia ferromagnetycznego zawartego w ławiku, obserwowana jest nieliniowa zależność inukcyjności ławika L o prąu i [3, 4]. Jak pokazano m.in. w pracach [5, 6], przebieg zależności L(i) ławika istotnie zmienia się w zależności o oboru materiału, z którego wykonano rzeń ławika. Mięzy innymi w pracach [7, 8, 9] pokazano, że nieliniowość zależności L(i) powouje zmiany w przebiegu charakterystyk przetwornic ławikowych, a różnice w przebiegu charakterystyk tych przetwornic uzyskanych z zastosowaniem liniowego i nieliniowego moelu ławika uwiaczniają się głównie w trybie nieciągłego przepływu prąu (DCM). W pracy przestawiono wyniki baań eksperymentalnych, ilustrujące wpływ oboru materiału rzenia ferromagnetycznego na charakterystyki przetwornicy boost. Baania przeprowazono la trzech arbitralnie wybranych rzeni toroialnych o poobnych rozmiarach. Rzenie te wykonane są ze sproszkowanego żelaza (), ferrytu () oraz nanopermu (). 2. BADANY UKŁAD Pomiary przeprowazono la przetwornicy boost, której schemat pokazano na rys. 1. W rozpatrywanym ukłazie zastosowano tranzystor MOSFET typu IRF54, ioę Schottky ego 1N5822 oraz elementy bierne o następujących wartościach: R G = 33 Ω, C O = 47 µf, C 2 = 22 nf. Rezystor R stanowi obciążenie przetwornicy, a źróło napięciowe U WE źróło zasilania. Sygnał sterujący bramkę tranzystora jest uzyskiwany z rivera IR211, pełniącego funkcję wzmacniacza mocy, zasilanego ze źróła napięciowego U ZAS o wyajności 15 V i sterowanego z generatora prostokątnego sygnału o poziomach TTL U G. Na wyjściu rivera uzyskano przebieg trapezoialny o poziomach równych opowienio,2 oraz 14,8 V. W rozważanym ukłazie wykonano pomiary stosując kolejno trzy ławiki. Każy z ławików zawierał 2 zwojów rutu miezianego w emalii o śrenicy,8 mm nawiniętego na rzeniu ferromagnetycznym. Wykorzystano następujące rzenie ferromagnetyczne: rzeń nanokrystaliczny -26x16x12 z materiału M-7, rzeń ze sproszkowanego żelaza - 26,9x14,5x11 z materiału T16-26 oraz rzeń ferrytowy -25x15x1 z materiału F-867. Wszystkie wymienione rzenie miały kształt toroiów o zbliżonych rozmiarach, tzn. ich śrenica zewnętrzna wynosi około 26 mm, śrenica wewnętrzna około 15 mm, a wysokość około 11 mm. Wartości postawowych parametrów zastosowanych rzeni zebrano w tabeli 1. Z tabeli tej wiać, że największą wartość przenikalności początkowej i osiąga rzeń, ale jenocześnie cechuje się on największą stratnością P V i najwyższą temperaturą Curie T C.

3 L [μh] Wpływ oboru rzenia 9 Z kolei, największą wartość inukcji nasycenia B sat cechuje się rzeń. U wy U we U ZAS Rys. 1. Schemat baanej przetwornicy boost z ukłaem sterującym Fig. 1. The iagram of the investigate boost converter with the control circuit Tabela 1 Wartości postawowych parametrów rzeni baanych ławików [11, 12, 13] parametr B sat [T] T C [ o C] i P f = 1 khz [kw/m 3 ] 1,2 6 >2 882, >23 6 1, Ze wzglęu na różnice w przenikalności magnetycznej zastosowanych rzeni rozważane ławiki cechują się różnymi przebiegami L(i). Przebiegi te, opowiaające temperaturze pokojowej, zmierzono za pomocą ukłau pomiarowego opisanego w pracy [1] i pokazano na rys i [A] Rys. 2. Zmierzone zależności L(i) baanych ławików Fig. 2. Measure L(i) epenences of the investigate choking-coils

4 1 K. Górecki, J. Zarębski, K. Detka Jak można zauważyć, inukcyjność wszystkich rozważanych ławików jest malejącą funkcją prąu. Charakter tej zależności wynika z nieliniowości krzywej magnesowania rzenia ferromagnetycznego [14, 15], skutkującej nieliniowością zależności przenikalności magnetycznej rzenia o natężenia pola magnetycznego. Ze wzglęu na kształt krzywych magnesowania rozważanych rzeni, pokazanych w pracach [1, 14, 15, 16, 17], obserwowany jest w rozważanym zakresie prąów silny spaek inukcyjności ławika z rzeniem oraz (nawet tysiąckrotny) oraz słaby spaek wartości inukcyjności ławika (zalewie o 5%). Zmierzone wartości inukcyjności rozważanych ławików różnią się mięzy sobą nawet kilkaziesiąt razy. Z tego powou należy oczekiwać różnic w przebiegach charakterystyk baanych przetwornic, wynikających głównie z różnic we właściwościach rzeni rozważanych ławików. 3. WYNIKI BADAŃ Przeprowazono pomiary przetwornicy boost z rys. 1 z rzeniami opisanymi w poprzenim rozziale. Przeanalizowano wpływ częstotliwości f i współczynnika wypełnienia sygnału sterującego tranzystor oraz rezystancji obciążenia R na takie parametry eksploatacyjne przetwornicy boost, jak napięcie wyjściowe U wy, sprawność energetyczna, temperatura obuowy tranzystora T T, temperatura obuowy ioy T D oraz temperatura rzenia ławika T L. Wybrane wyniki pomiarów zamieszczono na rys Wszystkie pomiary przeprowazono w temperaturze pokojowej przy napięciu wejściowym. Na rys. 3 zilustrowano wpływ rezystancji obciążenia R na napięcie wyjściowe, sprawność energetyczną oraz temperaturę rzenia ławika. Wartość tej temperatury zmierzono za pomocą pirometru PT-3S. Prezentowane wyniki uzyskano przy częstotliwości sygnału sterującego f = 2 khz oraz współczynnika wypełnienia tego sygnału =,5. Jak można zauważyć na rys. 3, przetwornica zawierająca ławik z rzeniem proszkowym () przechozi w tryb DCM przy najmniejszej wartości rezystancji obciążenia. Przejawia się to użym wzrostem wartości napięcia wyjściowego przy wzroście rezystancji R. Napięcie wyjściowe przyjmuje największe wartości z zastosowaniem ławika z rzeniem proszkowym, a najmniejsze z zastosowaniem rzenia nanokrystalicznego (). Różnice w wartościach napięcia wyjściowego mięzy przetwornicami z rzeniem i przekraczają nawet kilkaziesiąt procent w trybie DCM. Z kolei, la małych wartości R (w trybie CCM) rozaj materiału rzenia praktycznie nie wpływa na wartość napięcia wyjściowego U wy. Duże różnice mięzy zmierzonymi wartościami napięcia U wy la baanych przetwornic pracujących w trybie DCM są skutkiem użej rozbieżności mięzy wartościami inukcyjności zastosowanych ławików i zależności tej inukcyjności o prąu. Wpływ inukcyjności ławika na napięcie wyjściowe przetwornicy boost zawierającej elementy

5 T L [ C] U wy [V] Wpływ oboru rzenia 11 iealne został opisany analitycznie m.in. w pracy [1]. a) f = 2 khz =,5 DCM 2 DCM R O [Ω] b) 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 f = 2 khz =, R [Ω] c) f = 2 khz =, R O [Ω] Rys. 3. Zmierzone zależności napięcia wyjściowego U wy (a), sprawności energetycznej (b) oraz temperatury rzenia ławika T L (c) o rezystancji obciążenia R Fig. 3. Measure epenences of the output voltage U wy (a), the watt-hour efficiency (b) an the temperature of the core of the choking-coil T L (c) on the loa resistance R Sprawność energetyczna osiąga największe wartości z zastosowaniem rzenia proszkowego w zakresie małych rezystancji obciążenia. Przy rezystancjach obciążenia przekraczających kilkaziesiąt omów największą sprawność energetyczną uzyskuje się

6 12 K. Górecki, J. Zarębski, K. Detka stosując ławik z rzeniem ferrytowym (). Sprawność ta osiąga największe wartości, przekraczające nawet 9%, la rezystancji R z zakresu o kilkuziesięciu omów o 1 k. Warto zauważyć, że różnice mięzy wartościami sprawności energetycznej la przetwornicy boost z rozważanymi rzeniami są największe przy użych wartościach R. Przykłaowo, la R = 1k sprawność przetwornicy z rzeniem jest nawet trzykrotnie większa niż la przetwornicy z rzeniem. Temperatura rzenia ławika jest typowo malejącą funkcją rezystancji obciążenia. Największą wartość, ochozącą o 6 o C, temperatura ta osiąga la rzenia proszkowego, a najmniejszą la rzenia ferrytowego. Wartość tej temperatury zależy o stratności rzenia oraz prąu ławika. Na rys. 4 i 5 zilustrowano wpływ współczynnika wypełnienia sygnału sterującego na napięcie wyjściowe, sprawność energetyczną oraz temperaturę rzenia ławika. Prezentowane wyniki uzyskano przy wóch wartościach częstotliwości sygnału sterującego f równych 5 khz i 4 khz. Wyniki prezentowane na rys. 4 uzyskano przy rezystancji obciążenia R = 1,3, zaś na rys. 5 przy R = 1. Jak wiać na rys. 4a oraz 5a, zależność U wy () jest la wszystkich baanych przetwornic funkcją monotonicznie rosnącą. Po wpływem wzrostu częstotliwości sygnału sterującego f, wartość napięcia wyjściowego maleje, co może być wywołane inercją elektryczną elementów półprzewonikowych zawartych w przetwornicy oraz wzrostem strat w rzeniu ławika. Można zauważyć, że przy małej wartości rezystancji obciążenia (rys. 4a) różnice mięzy wartościami napięcia uzyskanymi la przetwornic zawierających różne rzenie są niewielkie i rosną wraz ze wzrostem wartości współczynnika wypełnienia sygnału sterującego, osiągając maksymalnie kilkanaście procent. Największą wartość napięcie wyjściowe osiąga la ławika z rzeniem. Sprawność energetyczna jest malejącą funkcją współczynnika wypełnienia, przy czym wyższe wartości sprawność osiąga przy wyższej częstotliwości sygnału sterującego. Wartość tej sprawności jest najwyższa la przetwornicy zawierającej ławik z rzeniem, a najniższa la przetwornicy zawierającej ławik z rzeniem. Przy częstotliwości f = 5 khz zmiana rzenia ławika powouje zmianę sprawności nawet o 2%, a przy f = 4 khz o zalewie kilka procent. Temperatura rzenia ławika jest również rosnącą funkcją współczynnika wypełnienia i przy częstotliwości f = 5 khz przekracza nawet 13 o C (rys. 4c) la ławika z rzeniem. Wzrost częstotliwości f powouje zmniejszenie wartości temperatury rzenia ławika, bęące następstwem zmniejszenia wartości prąu ławika spowoowanego, wiocznym na rys. 4a, obniżeniem wartości napięcia wyjściowego. Przy ientycznych wartościach współczynnika i rezystancji obciążenia R, temperatura rzenia ławika jest przy częstotliwości f = 4 khz nawet o 9 o C niższa niż przy f = 5 khz.

7 T L [ o C] U wy [V] Wpływ oboru rzenia 13 Na rys. 5a wiać, że wzrost rezystancji obciążenia R spowoował wzrost wartości napięcia wyjściowego. Można zauważyć, że la obu rozważanych wartości częstotliwości f, najmniejsze wartości napięcia U wy uzyskano la rzenia. Są one nawet o 2% mniejsze o wartości tego napięcia uzyskanych z zastosowaniem rzeni lub. a) 3 25 R = 1,3 f = 5 khz 2 15 f = 4 khz 1 5,2,4,6,8 1 b) 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 R = 1,3 f = 5 khz,2,4,6,8 1 f = 4 khz c) R = 1,3 8 f = 5 khz 6 4 f = 4 khz 2,2,4,6,8 1 Rys. 4. Zmierzone zależności napięcia wyjściowego U wy (a), sprawności energetycznej (b) oraz temperatury rzenia ławika T L (c) o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy rezystancji obciążenia R = 1,3 Fig. 4. Measure epenences of the output voltage U wy (a), the watt-hour efficiency (b) an the temperature of the core of the choking-coil T L (c) on the uty factor of the control signal at the loa resistance R = 1,3

8 T L [ o C] U wy [V] 14 K. Górecki, J. Zarębski, K. Detka Z rys. 5b wynika, że wyższą wartość sprawności przetwornicy można uzyskać powyższając częstotliwość sygnału sterującego f. Przy f = 4 khz najwyższą sprawność zapewnia zastosowanie rzenia. Wysokie wartości sprawności w szerokim zakresie zmian częstotliwości i współczynnika zapewnia zastosowanie rzenia. Przetwornica z rzeniem w całym rozważanym zakresie częstotliwości i współczynnika wykazuje najniższą wartość sprawności. a) R = 1 f = 5 khz 3 2 f = 4 khz 1,2,4,6,8 1 b) 1,95,9,85,8,75,7,65,6,55 R = 1 f = 5 khz,5,2,4,6,8 1 f = 4 khz c) 7 6 R = 1 f = 5 khz f = 4 khz,2,4,6,8 1 Rys. 5. Zmierzone zależności napięcia wyjściowego U wy (a), sprawności energetycznej (b) oraz temperatury rzenia ławika T L (c) o współczynnika wypełnienia sygnału sterującego przy rezystancji obciążenia R = 1 Fig. 5. Measure epenences of the output voltage U wy (a), the watt-hour efficiency (b) an the temperature of the core of the choking-coil T L (c) on the uty factor of the control signal at the loa resistance R = 1

9 Wpływ oboru rzenia 15 Wioczny rys. 5c wykres zależności temperatury rzenia o współczynnika jest funkcją rosnącą. Ze wzglęu na użą wartość rezystancji obciążenia, obserwowane różnice mięzy temperaturami rzeni oraz są niewielkie i nie przekraczają kilku o C. Jeynie temperatura rzenia przy częstotliwości 5 khz jest znacznie, nawet o pona 2 o C, wyższa niż temperatura pozostałych rzeni. 4. PODSUMOWANIE W pracy przestawiono wybrane wyniki pomiarów charakterystyk przetwornicy boost, zawierającej ławiki z różnymi rzeniami. Z przestawionych rezultatów baań wynika, że przy wyborze materiału rzenia należy uwzglęnić rezystancję obciążenia przetwornicy oraz częstotliwość i współczynnik wypełnienia sygnału sterującego. Jeżeli rezystancja obciążenia jest mała, to najkorzystniejsze jest zastosowanie rzenia ze sproszkowanego żelaza, zapewniające uzyskanie wysokiej wartości sprawności energetycznej. Z kolei, la użych rezystancji obciążenia korzystniej jest stosować ławik z rzeniem ferrytowym, który zapewnia wysoką sprawność w szerokim zakresie zmian częstotliwości przy wartościach współczynnika wypełnienia poniżej,6. W rozważanej przetwornicy boost nie znaleziono zakresu pracy, w którym rzeń nanokrystaliczny zapewniałby najkorzystniejsze wartości parametrów eksploatacyjnych. Zaletą tego rzenia jest umożliwienie pracy przetwornicy boost w trybie CCM przy użych rezystancjach obciążenia. Jenak wysoka cena tego rzenia w relacji o rzeni ze sproszkowanego żelaza i ferrytowego (nawet kilkunastokrotnie wyższa) powouje, że obecnie nie wiać uzasanienia la stosowania tych nowoczesnych materiałów na rzenie przetwornic używanych o zasilania urzązeń elektronicznych. Projekt został sfinansowany ze śroków Naroowego Centrum Nauki przyznanych na postawie ecyzji numer DEC-211/1/B/ST7/6738. BIBLIOGRAFIA 1. Borkowski A.: Zasilanie urzązeń elektronicznych. WKiŁ, Warszawa Rashi M. H.: Power Electronic Hanbook. Acaemic Press, Elsevier Van er Bossche A., Valchev V. C.: Inuctors an Transformers for Power Electronics. Taylor &Francis, Boca Raton O Hara M.: Moeling Non-Ieal Inuctors in SPICE. Newport Components, Górecki K., Detka K.: Investigations of temperature influence on the properties of the choking-coils with selecte ferromagnetic cores. Microelectronic Materials an Technologies 212 Vol. 2, p

10 16 K. Górecki, J. Zarębski, K. Detka 6. Górecki K., Detka K.: Electrothermal moel of choking-coils for the analysis of c-c converters. Materials Sciences & Engineering B 212, Vol. 177, No. 15, p Górecki K., Stepowicz W.J.: Comparison of Inuctor Moels Use in Analysis of the Buck an Boost Converters. Informacije MIDEM 28, Vol. 38, No. 1, p Górecki K., Detka K.: Wpływ oboru rzenia ławika na nieizotermiczne charakterystyki przetwornicy buck. Elektronika 211, Nr 1, s Górecki K., Zarębski J., Detka K.: Wpływ oboru rzenia ławika na charakterystyki przetwornic BOOST. XXXVI Mięzynaroowa Konferencja z Postaw Elektrotechniki i Teorii Obwoów IC-SPETO 213, Ustroń 212, s Górecki K., Detka K., Zarębski J.: Pomiary wybranych parametrów i charakterystyk materiałów i elementów magnetycznych. Elektronika 213, Nr 1, s Mielcarski K.: Baanie wpływu oboru materiału ferromagnetycznego na charakterystyki ławikowej przetwornicy c-c. Praca yplomowa magisterska, Wyział Elektryczny, Akaemia Morska w Gyni, SIFERRIT Materials. Application notes EPCOS AG, Munchen Strona internetowa firmy feryster Ericson R., Maksimovic D.: Funamentals of Power Electronics, Norwell, Kluwer Acaemic Publisher, Wac-Włoarczyk A.: Materiały magnetyczne. Moelowanie i zastosowania. Politechnika Lubelska, Wilson P.R., Ross J.N., Brown A.D.: Simulation of magnetic component moels in electric circuits incluing ynamic thermal effects. IEEE Transactions on Power Electronics 22, Vol. 17, No. 1, p Leerer D., Igarashi H., Kost A., Honma T.: On the Parametr Ienctification an Appication of the JA Hysteresis moel for numerical moelling of measure characteristic. IEEE Transactions on Magnetics 1999, Vol. 35, No. 3, p Dr hab. inż. Krzysztof GÓRECKI, prof. nzw. AM Prof. r hab. inż. Janusz ZARĘBSKI, prof. zw. AM Akaemia Morska w Gyni, Wyział Elektryczny Katera Elektroniki Morskiej ul. Morska Gynia Tel. (58) ; gorecki@am.gynia.pl Tel. (58) ; zarebski@am.gynia.pl Mgr inż. Kalina DETKA Pomorska Wyższa Szkoła Nauk Stosowanych w Gyni ul. Opata Hackiego Gynia