POZNAN UNVE RSTY OF TE CHNOLOGY ACADE MC JOURNALS No 9 Electical Engineeing 07 DO 0.008/j.897-0737.07.9.0007 Michał HARASMCZUK* ZAPOROWY QUAS REZONANSOWY PRZEKSZTAŁNK PODWYŻSZAJĄCY NAPĘCE W atykule pzedstawiono izolowany zapoowy quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający napięcie. Za pomocą układu ezonansowego zostało zealizowane pzełączanie tanzystoa pzy zeowym pądzie. Tanzysto pzekształtnika jest steowany techniką modulacji impulsu ze stałym czasem załączania i ze zmienną częstotliwością. Wykozystanie tansfomatoa umożliwiło uzyskanie wysokiego współczynnika wzmocnienia napięciowego. W atykule szczegółowo opisano sposób działania pzekształtnika. Wypowadzono chaakteystykę egulacyjną oaz omówiono metodę optymalnego dobou dławika oaz kondensatoa ezonansowego. Zostały pzepowadzone badania symulacyjne w pogamie PSpice potwiedzające pawidłowe działanie układu. SŁOWA KLUCZOWE: pzekształtnik podwyższający napięcie, pzekształtnik zapoowy, tansfomato, quasi ezonans. WSTĘP Pzekształtniki z wysokim współczynnikiem wzmocnienia napięciowego są wymagane w wielu zastosowaniach pzemysłowych, takich jak samochody elektyczne i hybydowe, konwesja enegii ze źódeł odnawialnych, systemy UPS itd. Podstawowy pzekształtnik podwyższający napięcie cechuje się niską spawnością pzy wysokim współczynniku wzmocnienia napięciowego. Jest opacowanych wiele topologii pzekształtników podwyższających napięcie chaakteyzujących się wysoką spawnością oaz kilku lub kilkunastokotnym współczynniku wzmocnienia napięciowego. Zazwyczaj bazują one na wykozystaniu tansfomatoa lub dławika spzężonego [3, 5]. W pzekształtnikach twado pzełączanych istotną część stat mocy stanowią staty związane z pzełączaniem elementów półpzewodnikowych, któe są tym większe im większa jest częstotliwość ich pzełączania [, ]. Dlatego w celu popawy spawności pzekształtników twado pzełączanych zmniejsza się częstotliwość pzełączania tanzystoów mocy. Negatywnie wpływa to na wielkość elementów pasywnych pzekształtnika takich jak dławik mocy, tansfomato, kondensato wyj- * Politechnika Białostocka.
7 Michał Haasimczuk ściowy. Realizacja miękkiego pzełączania pawie całkowicie likwiduje staty związane z pzełączaniem elementów półpzewodnikowych. Umożliwia to zwiększenie częstotliwości pacy pzekształtnika a w konsekwencji wykozystanie mniejszych elementów eaktancyjnych wchodzących w konstukcję układu [4]. Kolejną istotną zaletą pzekształtników miękko pzełączanych jest istotna edukcja pomieniowania EM emitowanego pzez pzekształtnik [6]. Do pzekształtników miękko pzełączanych należą pzekształtniki quasi ezonansowe, w któych dodatkowy obwód ezonansowy umożliwia pzełączanie półpzewodnika pzy zeowym pądzie lub pzy zeowym napięciu.. ZASADA DZAŁANA PRZEKSZTAŁTNKA.. Schemat pzekształtnika Na ysunku został pzedstawiony zapoowy quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający napięcie ze stałym czasem załączenia tanzystoa. Pzekształtnik jest zasilany ze źódła napięcia stałego E. Tanzysto T jest steowany techniką modulacji impulsu ze zmiennym współczynnikiem wypełnienia. Układ ezonansowy składający się z dławika L i kondensatoa C umożliwia pzełączanie tanzystoa T pzy zeowym pądzie. Rys.. Schemat quasi ezonansowego pzekształtnika zapoowego Czas załączenia tanzystoa jest stały i uzależniony od częstotliwości ezonansowej dławika L i kondensatoa C. W momencie załączenia klucza T enegia ze źódła napięciowego E jest magazynowana w tansfomatoze składającym się ze spzężonych dławików L i L. W momencie jego wyłączenia enegia z tansfomatoa jest pzekazywania za pośednictwem diody D do obciążenia składającego się z ównoległego połączenia kondensatoa C i ezystoa R obc. Współczynnik
Zapoowy quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający... 73 wzmocnienia napięciowego jest uzależniony od częstotliwości ezonansowej dławika L i kondensatoa C oaz od czasu wyłączenia tanzystoa T... Analiza pacy pzekształtnika Na ysunku zostały pzedstawione wybane pzebiegi napięć i pądów pzekształtnika. Rys.. Pzebiegi wybanych napięć i pądów pzekształtnika W celu wykonania analizy pacy pzekształtnika założono że źódło napięciowe E oaz kondensato C są idealnymi źódłami napięcia. Pzyjęto ównież że enegia zgomadzona w tansfomatoze składającego się ze spzężonych dławików L i L w jednym okesie pacy pzekształtnika jest stała. Pominięto indukcyjność ozposzenia oaz spadki napięcia na diodzie D i tanzystoze T. a) Pzedział t Na początku pzedziału t tanzysto T jest wyłączony, pąd płynie pzez stonę wtóną tansfomatoa, dioda D jest spolayzowana w kieunku pzewodzenia. Enegia zgomadzona w tansfomatoze jest pzekazywana do obciążenia R obc oaz kondensatoa C. Następuje załączenie tanzystoa T, pąd tansfomatoa po stonie wtónej maleje do zea a po stonie piewotnej ośnie. Czas naastania pądu jest uzależniony od napięcia na kondensatoze C oaz indukcyjności L zgodnie z zależnością (). we L t () UC gdzie: we pąd wejściowy na końcu pzedziału t, L indukcyjność dławika L, U C spadek napięcia na kondensatoze C w pzedziale t.
74 Michał Haasimczuk Napięcie na kondensatoze C jest uzależnione od napięcia wejściowego, napięcia wyjściowego oaz pzekładni tansfomatoa zgodnie ze wzoem (). U 0 EN UC () N b) Pzedział t W pzedziale t dioda D jest spolayzowana w kieunku zapoowym. Enegia zgomadzona w polu elektycznym kondensatoze C jest pzekazywana do obciążenia R obc. Enegia ze źódła napięciowego E jest gomadzona w polu magnetycznym tansfomatoa. Pąd dławika L i tanzystoa T jest óżnicą pądu tansfomatoa po stonie piewotnej i pądu powstałego na skutek ezonansu elementów C i L. Pąd ten został opisany zgodnie z zależnościami (3) (4). UC il ( t) we ic ( t) we sin( t ) () L / C (3) L C gdzie: ω pulsacja dgań ezonansowych, i C pąd kondensatoa C. Na końcu pzedziału t pąd dławika L jest ówny zeo. Oznacza to, że pąd kondensatoa C i pąd wejściowy są sobie ówne zgodnie z zależnością (5). UC L 0 we sin( t ) (4) L / C gdzie: L pąd dławika L na końcu pzedziału t. Pzedział t można wyznaczyć na podstawie pzebiegów pzedstawionych na ysunku 3 i zależności (5) zgodnie ze wzoem (6). L / C t acsin we (5) U C W celu wyłączenie tanzystoa T pzy zeowym pądzie amplituda pądu powstałego na skutek ezonansu elementów C i L musi być większa od pądu wejściowego. Waunek ten został pzedstawiony w postaci wzou (7). UC we L / C (6) W zeczywistości tanzysto T jest wyłączany w czasie pzewodzenia jego diody zwotnej w pzedziale t C. Napięcie na kondensatoze C w pzedziale t można zapisać zgodnie ze wzoem (8). uc ( t) UC cos( t) (7) gdzie: u C (t) napięcie na kondensatoze C.
Zapoowy quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający... 75 Rys. 3. Etapy pacy pzekształtnika c) Pzedział t 3 W pzedziale t 3 tanzysto T jest wyłączony. Dioda D jest spolayzowana w kieunku zapoowym, enegia z kondensatoa C jest pzekazywana do obciążenia R obc. Enegia ze źódła napięciowego E jest magazynowana w polu magnetycznym tansfomatoa składającego się ze spzężonych dławików L i L.
76 Michał Haasimczuk Kondensato C jest ładowany stałopądowo do napięcia pzy któym dioda D zostanie spolayzowana w kieunku pzewodzenia. Pzedział t 3 jest uzależniony od pojemności kondensatoa C, napięcia do jakiego został on naładowany w pzedziale t oaz od pądu wejściowego. Pzedział ten można wyznaczyć zgodnie z zależnością (9). UC cos( t) t3 C (8) d) Pzedział t 4 W pzedziale t 4 tanzysto T jest wyłączony. Pąd nie płynie pzez stonę piewotna tansfomatoa. Dioda D jest spolayzowana w kieunku pzewodzenia, enegia zgomadzona w tansfomatoze jest pzekazywana do kondensatoa C oaz obciążenia R obc. Pąd diody D jest ówny pądowi tansfomatoa po stonie piewotnej w pzedziałach t t 3 pomniejszonemu o pzekładnię tansfomatoa zgodnie z zależnością (0). we D (9) N Pzedział t 4 jest to óżnica pomiędzy okesem sygnału steującego tanzystoem T a sumą pzedziałów t t 3. t4 TS t t t3 (0) gdzie: T S okes sygnału steującego tanzystoem T..3. Wyznaczenie chaakteystyki egulacyjnej pzekształtnika Aby wyznaczyć chaakteystykę egulacyjną pzekształtnika należy wyznaczyć współczynnik wzmocnienia napięciowego w funkcji stosunku częstotliwości steującej tanzystoem T do częstotliwości ezonansowej dławika L i kondensatoa C. Wyznaczyć współczynnik wzmocnienia napięciowego można poównując moc na wejściu i na wyjściu pzekształtnika, pzy założeniu, że napięcie wejściowe i wyjściowe jest stałe w jednym okesie jego pacy. Wyznaczyć moc wyjściową i wejściową można obliczając śedni pąd wejściowy i śedni pąd diody D zgodnie z zależnością (6). U0 E E E U0obc Ku () E obc gdzie: E śedni pąd wejściowy, obc śedni pąd diody D, K u współczynnik wzmocnienia napięciowego, ƞ spawność pzekształtnika. Śedni pąd wejściowy możemy wyznaczyć zgodnie z zależnością (3), natomiast śedni pąd wyjściowy zgodnie z zależnością (4). E wet we( t t3) () T we S
Zapoowy quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający... 77 E obc we we obc t t4 N N T S (3) we L / C (4) U f C (5) L C we acsin fs fs we (6) f f we acsin we N fs (7) N f acsin fs fs N f f KU (8) f s acsin f f s N N f gdzie: f częstotliwość ezonansowa kondensatoa C i dławika L, f S częstotliwość pzełączania tanzystoa T Na ysunku 4 została zapezentowana chaakteystyka egulacyjna pzekształtnika dla tzech óżnych pzekładni tansfomatoa. Chaakteystyka został wykeślona zgodnie z zależnością (9). Zwiększenie pzekładni tansfomatoa oaz częstotliwości steującej tanzystoem T skutkuje zwiększeniem współczynnika wzmocnienia napięciowego..3. Optymalizacja obwodu ezonansowego Aby zachować pzełączanie tanzystoa T pzy zeowym pądzie wymagana jest odpowiednio duża impedancja falowa obwodu ezonansowego (wzó (7)). Z dugiej stony impedancja falowa ma wpływ na amplitudę pądu tanzystoa T i elementów ezonansowych C i L w pzedziale t. m większa impedancja falowa tym większe staty mocy na tych elementach. Dlatego na etapie pojektowym pzekształtnika należy dobać watości elementów ezonansowych o możliwie dużej impedancji falowej zapewniając jednocześnie miękkie pzełączanie tanzystoa pzy maksymalnej mocy wyjściowej pzekształtnika.
78 Michał Haasimczuk Rys. 4. Chaakteystyka egulacyjna pzekształtnika dla tzech óżnych pzekładni dławika spzężonego Wzoy (0) () pzedstawiają zależność minimalnej ezystancji wyjściowej od impedancji falowej, współczynnika wzmocnienia napięciowego oaz pzekładni dławika spzężonego. Aby zminimalizować staty w pzekształtniku watość elementów ezonansowych należy dobać kieując się wzoami (6) i () L Z (9) C U0 EN Robc min Z (0) N L / C NK we gdzie: Z impedancja falowa obwodu ezonansowego, R obcmin minimalna ezystancja R obc pzy któej tanzysto T jest miękko pzełączany. 3. BADANA SYMULACYJNE PRZEKSZTAŁTNK W celu wykonania badań symulacyjnych zostanie zapojektowany pzekształtnik o napięciu wejściowym 60 V, napięciu wyjściowym 400 V, maksymalnej mocy wyjściowej kw i częstotliwości obwodu ezonansowego 50 khz. Na ysunku 5 został zapezentowany schemat badanego pzekształtnika w pogamie PSpice. W celu wykonania badań symulacyjnych został wykozystany model tanzystoa RFP4668 (V DSS = 00 V, R DSon = 8 mω) i diody z węglika kzemu SCS5KG (V R = 00 V). Pojemność kondensatoa C oaz indukcyjność dławika L została obliczona na podstawie wzoów (6) i () zgodnie z wzoami () i (3). Robc min L Z 4 NK C () U U
Zapoowy quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający... 79 f LC,3 () LC Z powodu stat mocy pzekształtnika należy pzyjąć impedancję falową niewiele mniejszą niż ta wyliczona ze wzou (). Ostatecznie pojemność C wynosi 80 nf natomiast indukcyjność L 3,8 uh. Na ysunku 6 zostały pzedstawione wybane pzebiegi napięć i pądów badanego pzekształtnika pzy nominalnej mocy wyjściowej. Rys. 5. Schemat symulacyjny pzekształtnika Rys. 6. Pzebiegi wybanych napięć i pądów analizowanego pzekształtnika
80 Michał Haasimczuk 4. PODSUMOWANE W atykule zapezentowano zapoowy quasi ezonansowy pzekształtnik podwyższający napięcie. Została szczegółowo opisana paca pzekształtnika. Wypowadzono jego napięciową chaakteystykę egulacyjną. Pawidłowe działanie pzekształtnika zostało potwiedzone badaniami symulacyjnymi. Zgodnie z wynikami badań symulacyjnych pzy nominalnej mocy wyjściowej pzekształtnika amplituda pądu wejściowego jest ok. dwukotnie mniejsza od pądu tanzystoa T i dławika L. Tanzysto jest pzełączany na ganicy miękkiego pzełączania. Zwiększenie mocy wyjściowej i w konsekwencji pądu tanzystoa T powodowałoby twade jego wyłączanie i większe staty mocy w pzekształtniku. Potwiedza to pawidłowy dobó watości kondensatoa C i dławika L. Badania zostały zealizowane w amach pacy MB/WE/3/05 i sfinansowane ze śodków na naukę MNiSW. LTERATURA [] 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, 58 594. [] Citko T., Tunia H., Winiaski B., Układy ezonansowe w enegoelektonice, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, 00. [3] Dawidziuk J., Review and compaison of high efficiency high powe boost DC/DC convetes fo photovoltaic applications, Bull. Pol. Ac.: Tech. 59 (0), n. 4, 499 506. [4] Pak K., Moon G., Youn M., High Step up Boost Convete ntegated With a Tansfome Assisted Auxiliay Cicuit Employing Quasi Resonant Opeation, 7 (0), n.4, 974 984. [5] Tomaszuk A., Kupa A., High efficiency high step up DC/DC convetes a eview, Bull. Pol. Ac.: Tech. 59 (0), n. 4, 475 483. [8] Yazdani M. R.; Fazanehfad H.; Faiz J. EM Analysis and Evaluation of an mpoved ZCT Flyback Convete, EEE Tansactions on Powe Electonics, 9 (0), n. 8, 36 334. FLYBACK QUAS RESONANT CONVERTER This pape pesent boost flyback quasi esonant convete. n aticle theoetic analysis of convete has been descibed. The contol of convete is done by pulse width modulation with constant tun on time and change fequency of the tansisto. Utilization a esonant cicuit povided the switching of the tansisto at zeo cuent (ZCS) and educe electomagnetic intefeence (EM). High voltage gain has been achieved by tansfome atio. Poposed convete is opeated in continues condition mode (CCM). n aticle ae pesented the egulation chaacteistics and method of selection the esonant elements. This pape includes simulation study model convete confiming popely constucted theoetical analysis. (Received: 08. 0. 07, evised: 6. 0. 07)