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, lato 2015/16 15
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 of 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, lato 2015/16 16
Prądy diod strony wtórnej w takcie 2 Gdyby nie występował prąd magnesowania uzwojenie pierwotne rozwarte W rzeczywistości stąd z równania transformatora z prądowego prawa Kirchhofa 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, lato 2015/16 17
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, lato 2015/16 18
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, lato 2015/16 19
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, lato 2015/16 20
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, lato 2015/16 21
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, lato 2015/16 22
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, lato 2015/16 23
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, lato 2015/16 24
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, lato 2015/16 25
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, lato 2015/16 26
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, lato 2015/16 27
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, lato 2015/16 28
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 Q 1 on: przewodzi uzw. pierwotne; D 1 on: przewodzi uzw. wtórne Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 29
Transformator zaporowy (flyback transformer) Prąd nie płynie w uzwojeniach jednocześnie, lecz naprzemiennie 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 Takie zachowanie przewiduje jednak model transformatora rzeczywistego gdy Z M jest (stosunkowo) mała i M duży i 1 i 1 i M Składowanie energii w polu magnetycznym, a więc w L M, W = L M i M(pk) 2 /2 L M (bezwzględnie) nie może więc być mała duży transformator Nie wymaga rozmagnesowania możliwy CCM 0 D < 1 mniejsze n Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 30