POLITECHNIKA GDAŃSKA

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI Przetwornica DC-DC z dzielonym dławikiem na wyjściu AUTOR: Arkadiusz Adolph OPIEKUN PRACY: prof. dr hab. inż. Zbigniew Krzemiński Gdańsk 2003

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI Studium: Dzienne Kierunek: Elektrotechnika Specjalność: NEiE PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA Dyplomant: Arkadiusz Adolph Obrona pracy: data... ocena:... Egzamin dyplomowy: data... ocena:... TEMAT: Przetwornica DC-DC z dzielonym dławikiem na wyjściu ZAKRES:. Klasyfikacja impulsowych przekształtników napięcia stałego; 2. Analiza topologii układów przetwornic; 3. Właściwości wybranej topologii; 4. Badania symulacyjne oraz eksperymentalne. Opiekun pracy prof. dr hab. inż. Zbigniew Krzemiński Kierownik Katedry dr hab. inż. Piotr Chrzan...... GDAŃSK, 2003 2

SPIS TREŚCI WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ... 5. Wstęp... 6 2. Ogólna klasyfikacja przekształtników... 7 3. Klasyfikacja impulsowych przekształtników napięcia stałego na napięcie stałe... 9 3.. Przekształtnik DC/DC obniżający napięcie... 9 3.2. Przekształtnik DC/DC podwyższający napięcie... 3.3. Przekształtnik DC/DC obniżająco-podwyższający napięcie... 2 3.4. Przekształtniki DC/DC wielokwadrantowe... 3 3.5. Izolowane przekształtniki DC/DC asymetryczne... 3 3.5.. Przetwornica jednotaktowa (typu forward)... 3 3.5.2. Przekształtnik typu flyback... 5 3.6. Izolowane przekształtniki DC/DC symetryczne... 8 3.6.. Przekształtnik typu PUSH-PULL... 8 3.6.2. Przekształtnik półmostkowy... 9 3.6.3. Przekształtnik mostkowy... 2 4. Analiza topologii układów przetwornic... 22 4.. Porównanie poszczególnych topologii... 22 4.2. Wybór topologii układu... 25 5. Właściwości wybranej topologii... 26 5.. Układ klasycznego przekształtnika mostkowego... 26 5.2. Układ przekształtnika mostkowego z dzielonym dławikiem... 29 5.3. Układ ogranicznika przepięć... 30 6. Badania symulacyjne... 35 6.. Symulacja klasycznego układu przekształtnika mostkowego... 36 6.2. Symulacja układu ze zmodyfikowanym dławikiem... 40 7. Badania eksperymentalne... 45 7.. Realizacja praktyczna układu przetwornicy... 45 7... Transformator planarny... 46 7..2. Układ sterowania i regulacji przetwornicy... 48 7.2. Stanowisko badawcze... 49 7.3. Wyniki badań eksperymentalnych... 5 7.3.. Klasyczny układ przekształtnika mostkowego z kondensatorem symetryzującym... 5 8. Podsumowanie... 56 Literatura... 57 Załącznik A: Schemat układu symulacyjnego przetwornicy mostkowej... 58 Załącznik B: Schemat układu symulacyjnego przetwornicy mostkowej z dzielonym dławikiem i obwodem snubber owym... 59 Załącznik C: Obliczenia transformatora, Listing z programu MATHCAD... 60 Załącznik D: Obliczenia dławika. Listing z programu MATHCAD... 64 3

Załącznik E: Schemat przetwornicy. Tor mocy. Płytka części wysokonapięciowej.... 66 Załącznik F: Schemat przetwornicy. Tor mocy. Płytka filtru pojemnościowego... 67 Załącznik G: Schemat przetwornicy. Tor mocy. Płytka tyrystorowego ogranicznika prądu ładowania kondensatorów... 68 Załącznik H: Schemat przetwornicy. Układ sterowania.... 69 4

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ GATE...4 - sygnał sterujący łącznikiem S,...,S4 I o - prąd w obciążeniu I D,...,I D7 - prąd w diodzie D,...,D7 I L, I L2 - prąd w cewce L, L2 dławika I S, I S2, I S3, I S4 - prąd przewodzenia łącznika S, S2, S3, S4 I Tr - prąd uzwojenia pierwotnego transformatora n, n 2 - ilości zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego t p - czas trwania impulsu sterującego łącznikiem T i - okres impulsowania U o - napięcie wyjściowe przekształtnika (na obciążeniu) U d - napięcie wejściowe DC U S,...,U S4 - spadek napięcia na łączniku S,...,S4 5

. Wstęp W ostatnich latach projektanci układów zasilających wyraźnie odchodzą od układów zasilaczy liniowych w kierunku znacznie praktyczniejszych układów impulsowych. Zasilacze liniowe ze względu na pracę przy częstotliwości 50/60Hz posiadają transformator sieciowy o znacznych rozmiarach i ciężarze. W układach impulsowych transformator pracuje przy częstotliwościach do 20kHz do nawet MHz, przez co jego wymiary mogą być znacznie zredukowane. Dodatkowo w zasilaczach liniowych regulator szeregowy powoduje znaczne straty mocy, przez co uzyskiwana sprawność jest rzędu 30%. Dla porównania sprawność uzyskiwana w układach impulsowych sięga 70 do 90%. Pozwala to na ograniczenie wymiarów poprzez stosowanie mniejszych radiatorów. Celem pracy jest sprawdzenie koncepcji, wybór struktury oraz realizacja tranzystorowego impulsowego zasilacza o mocy wyjściowej 000W. Jako dodatkowe wymaganie stawiane przetwornicy przyjęto konieczność izolacji galwanicznej między wejściem a wyjściem układu, a także zabezpieczenie zwarciowe i przeciążeniowe. W ramach niniejszej pracy przedstawiono układ przekształtnika mostkowego oraz przeanalizowano wpływ zastosowania dławika dzielonego na jego parametry. Pomimo, że podstawowe topologie układów impulsowych są dość dobrze znane, często poprzez niewielkie ich modyfikacje można poprawić jeszcze ich parametry. Jedną z takich możliwych modyfikacji jest analizowane w tej pracy zastosowanie w układzie przekształtnika mostkowego specjalnej konstrukcji dławika wyjściowego, która zmniejsza narażenie elementów przełączających, a także obniża straty w transformatorze. W zbudowanym modelu zastosowano transformator planarny. Technologia planarna pozwala na uzyskanie małych rozmiarów transformatora, niskiej indukcyjności rozproszenia a także powtarzalnych parametrów. Możliwość wykonywania uzwojeń w postaci obwodów drukowanych jest wyjątkowo korzystna szczególnie przy wykonaniach małoseryjnych, gdzie pozwala na eliminację błędów powodowanych nieprawidłowym nawinięciem uzwojenia na rdzeniu toroidalnym. W prototypie uzwojenia transformatora wykonano z taśmy miedzianej. Takie wykonanie w transformatorach dużej mocy i częstotliwości jest rozwiązaniem znacznie tańszym, oraz pozwala w razie potrzeby na łatwą korektę ilości uzwojeń. Do sterowania przekształtnikiem użyto układu SG3525A, będącego modulatorem PWM. Zaimplementowano zabezpieczenia nadprądowe przekształtnika oraz kontrolę napięcia pośredniczącego DC. Przetwornica jest zabezpieczona przed zwarciem na jej wyjściu. Dodatkowo wprowadzono kontrolę temperatury radiatora. Przetwornica posiada pełną izolację galwaniczną pomiędzy siecią zasilającą a jej wyjściem. Jako elementy przełączające zastosowano tranzystory IGBT o małej wartości napięcia U CE sat zapewniające niskie straty mocy w stanie ich przewodzenia. Do ich sterowania użyto driverów zbudowanych w oparciu o transformatory sterujące nawijane na rdzeniach toroidalnych. Rozważania teoretyczne, przedstawione w niniejszej pracy, poparto wynikami symulacji cyfrowych otrzymanych w programie symulacyjnym Linear Technology LTC SwitcherCAD III. Wyniki symulacyjne zostały skonfrontowane z danymi pomiarowymi, otrzymanymi podczas badań eksperymentalnych działania modelu przetwornicy. 6

2. Ogólna klasyfikacja przekształtników Przekształtnik jest to urządzenie energoelektroniczne, którego zadaniem jest dopasowanie czasowo-przestrzenne wartości i kształtu przebiegów wielkości elektrycznych źródła energii elektrycznej do optymalnej realizacji procesu jej użytkowania. Zadanie to realizuje przekształtnik poprzez regulację przepływu energii oraz jej przekształcenie. Na Rys. 2. przedstawiono ogólny schemat działania przekształtnika. U,f,m U,f,m 2 2 2 Rys. 2. Rola przekształtnika energoelektronicznego W zależności od aplikacji energoelektronika dostarcza różnorodnych topologii układów, które można podzielić na cztery kategorie: DC/DC, DC/AC, AC/DC, AC/AC. Oznaczenia tych kategorii pochodzą od skrótów z języka angielskiego DC = direct current, AC = alternating current i oznaczają jaki rodzaj przekształcenia energii następuje w przekształtniku. Odpowiadające tym kategoriom bloki funkcjonalne przedstawiono na Rys. 2.2. a) b) c) d) Rys. 2.2 Symbole bloków funkcjonalnych przekształtników: a) przekształtnik prądu stałego na prąd stały [DC/DC converter] b) przekształtnik prądu stałego na prąd przemienny falownik [DC/AC converter] c) przekształtnik prądu przemiennego na prąd stały prostownik [AC/DC converter] d) przekształtnik prądu przemiennego na prąd przemienny przemiennik częstotliwości, cyklokonwerter [AC/AC converter] Możliwe jest tworzenie przekształtników złożonych poprzez połączenie kilku podstawowych układów. Na przykład przekształtnik AC/DC można wykonać jako połączenie przekształtnika AC/DC (prostownik) z regulowaną przetwornicą DC/DC dla dopasowania poziomu napięcia wyjściowego (Rys. 2.3). Taką koncepcje wykorzystano w niniejszej pracy. 7

Rys. 2.3 Przekształtnik AC/DC z regulacją napięcia wyjściowego złożony z nieregulowanego bloku AC/DC i z regulowanego bloku DC/DC Zaletą przyjętej koncepcji jest brak synchronizacji z siecią dzięki zastosowaniu prostownika niesterowanego, a także dokładniejsza regulacja napięcia wyjściowego. Koncepcja ta jest również korzystna ze względu na spełnienie wymogu izolacji galwanicznej pomiędzy stroną pierwotną a wtórną przetwornicy. Uzyskanie separacji przy układzie jednostopniowego przekształtnika AC/DC wymagałoby zastosowania transformatora sieciowego, który przy mocy 000VA miałby znaczące rozmiary i dużą masę. 8

3. Klasyfikacja impulsowych przekształtników napięcia stałego na napięcie stałe Przekształtniki DC/DC można podzielić na podstawowe dwie grupy w zależności od występowania lub braku izolacji galwanicznej pomiędzy wejściem a wyjściem przetwornicy. Pierwszą grupę stanowią przekształtniki nieizolowane (non-isolated switching regulators) bez transformatora pośredniczącego, wśród których wyróżniamy podgrupy: przekształtniki obniżające napięcie; przekształtniki podwyższające napięcie; przekształtniki obniżająco-podwyższające napięcie; przekształtniki wielokwadrantowe. Podział przekształtników prądu stałego na prąd stały przedstawiono schematycznie na diagramie poniżej (Rys. 3.). Przekształtniki DC/DC Nieizolowane Izolowane Obniżające napięcie Wielokwadrantowe down converters, buck converters mult-quadrant converters Asymetryczne Symetryczne Podwyższające napięcie up converters boost converters Obniżającopodwyższające napięcie up/down converters buck-boost converters Przetwornice jednotaktowe forward converters Przetwornice dwutaktowe flyback converters Przetwornice typu PUSH-PULL Przetwornice półmostkowe half-bridge Przetwornice mostkowe full-bridge Z jednym kluczem Z dwoma kluczami Z jednym kluczem Z dwoma kluczami Rys. 3. Klasyfikacja przekształtników DC/DC 3.. Przekształtnik DC/DC obniżający napięcie Najliczniejszą podgrupę spośród przekształtników nieizolowanych stanowią przekształtniki obniżające napięcie zwane też okresowymi przerywaczami napięcia stałego (z ang. down converters, buck converters). Przekształcają one napięcie stałe na napięcie jednokierunkowe o regulowanej wartości średniej mniejszej lub co najwyżej równej wartości napięcia wejściowego. Na Rys. 3.2 przedstawiono schemat klasycznego układu przekształtnika BUCK. Podstawowe przebiegi dla tego układu przedstawia rysunek Rys. 3.3 9

S L D C Rys. 3.2 Przekształtnik obniżający napięcie (buck converter) U d Rys. 3.3 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia. Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.). t U = U = U t f (3.) p o d d p Ti Natomiast prąd odbiornika RLE (przy założeniu że jest to prąd ciągły) oblicza się ze wzoru (3.2), a tętnienia ze wzoru (3.3). I U t E p d o Ti o = (3.2) Ro U tt d p w I = o Lo T (3.3) i 0

3.2. Przekształtnik DC/DC podwyższający napięcie Kolejną podgrupę przekształtników jaką należy wyróżnić stanowią przekształtniki podwyższające napięcie stałe (z ang. up converters, boost converters). Przekształcają one napięcie stałe na napięcie jednokierunkowe o regulowanej wartości średniej większej lub co najmniej równej wartości napięcia wejściowego. Rysunek Rys. 3.4 przedstawia schemat układu przekształtnika BOOST. Podstawowe przebiegi dla tego układu przedstawia rysunek Rys. 3.5. L D S C Rys. 3.4 Przekształtnik podwyższający napięcie (boost converter) U o Rys. 3.5 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.4). U o t p = Ud Ti (3.4) Natomiast wartości graniczne prądu odbiornika RLE z uwzględnieniem tętnień oblicza się ze wzoru (3.5) i (3.6) I o Eo Ud e = Ro Ro e tw τ Ti τ (3.5)

I o2 tw τ Eo Ud e = Ti Ro Ro e τ (3.6) 3.3. Przekształtnik DC/DC obniżająco-podwyższający napięcie Na Rys. 3.6 przedstawiono przekształtnik którego wartość średnia napięcia wyjściowego może osiągać wartości zarówno mniejsze, jak i większe od napięcia wejściowego, bez konieczności zmiany konfiguracji układu. Przekształtnik taki nazywamy obniżająco-podwyższajacym (z ang. up/down converter, buck-boost converter). S D L C Rys. 3.6 Przekształtnik obniżająco-podwyższający napięcie (buck-boost converter) Podstawowym elementem pośredniczącym w przekazywaniu energii między obwodem wejściowym a wyjściowym jest dławik L. Przy załączonym łączniku S dławik jest podłączony do zacisków źródła zasilania U d. Prąd zwiększa się liniowo w czasie, wywołując zwiększenie energii zmagazynowanej w dławiku. Dioda Dw tym czasie nie przewodzi zapobiegając rozładowywaniu się kondensatora C. Po wyłączeniu łącznika S prąd wymuszany przez dławik płynie w obwodzie zawierającym diodę D i odbiornik. Podstawowe przebiegi dla tego układu przedstawia rysunek Rys. 3.7 U d +U o Rys. 3.7 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia. 2

Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.7). t p t p Ti Uo = Ud = Ud t t w p Ti Dla t p <0.5T i układ obniża napięcie U o <U d a dla t p >0.5T i napięcie jest podnoszone U o >U d. (3.7) 3.4. Przekształtniki DC/DC wielokwadrantowe Przedstawione powyżej przekształtniki charakteryzowały się tym, że energia w nich była przekazywana tylko w jedną stronę, czyli pomiędzy źródłem zasilania a odbiornikiem. Jednak często zachodzi konieczność przekazywania energii w obie strony bez dokonywania zmian połączeń w obwodzie głównym przekształtnika. Przekształtnik taki musi być zdolny także do przyjmowania energii. Wyróżniamy następujące rozwiązania przekształtników wielokwadrantowych (z ang. multi-quadrant converters): - układy umożliwiające zmianę kierunku prądu odbiornika przy zachowaniu stałej polaryzacji napięcia - praca w I i II kwadrancie płaszczyzny (I o, U o ). - układy umożliwiające zmianę polaryzacji napięcia przy niezmieniającym się kierunku prądu w odbiorniku - praca w I i IV kwadrancie płaszczyzny (I o, U o ). - układy umożliwiające zmianę zarówno kierunku prądu odbiornika jak i polaryzacji napięcia - praca we wszystkich czterech kwadrantach płaszczyzny (I o, U o ). Druga istotna grupa przekształtników to przekształtniki z izolacją pomiędzy wejściem a wyjściem, zrealizowaną poprzez zastosowanie transformatorów pośredniczących. 3.5. Izolowane przekształtniki DC/DC asymetryczne 3.5.. Przetwornica jednotaktowa (typu forward) Asymetryczny przekształtnik (typu forward) z pojedynczym łącznikiem przedstawiony został na Rys. 3.8. Natomiast na Rys. 3.0 przedstawiono przekształtnik z dwoma łącznikami. Są to układy przetwornic jednotaktowych z transformatorem nie magazynującym energii. Przebiegi dla przetwornicy typu forward z pojedynczym łącznikiem przedstawiano na Rys. 3.9 a z podwójnym łącznikiem na Rys. 3.. 3

D3 D L D2 C Tr S Rys. 3.8 Przekształtnik typu forward z pojedynczym łącznikiem W przetwornicach jednotaktowych w czasie przewodzenia łącznika energia jest pobierana ze źródła i poprzez transformator przekazywana do obciążenia. W układzie na Rys. 3.8 przy załączonym łączniku S, dioda D przewodzi a dioda D2 jest spolaryzowana zaporowo. Energia jest przekazywana przez transformator do obciążenia. Jest ona magazynowana w dławiku, którego prąd rośnie liniowo. Po wyłączeniu tranzystora prąd magnesujący transformatora i strumień zmniejszają się indukując w uzwojeniu rozmagnesowującym napięcie polaryzujące diodę D3 w kierunku przewodzenia. Przepływający prąd magnesujący zwraca energię do źródła. Prąd odbiornika w tym czasie zamyka się poprzez diodę D2. Energia zmagazynowana w dławiku jest przekazywana do obciążenia. Imag Rys. 3.9 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia (przekształtnik typu forward z jednym łącznikiem) W każdym cyklu pracy przekształtnika musi nastąpić całkowite rozmagnesowanie rdzenia transformatora, gdyż w przeciwnym wypadku rdzeń uległby nasyceniu. Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.8). U t p o = n Ud (3.8) T i 4

Poniższy rysunek przedstawia schemat przetwornicy jednotaktowej obniżającej napięcie z dwoma łącznikami sterującymi. S2 D3 D L D2 C D4 Tr S Rys. 3.0 Przekształtnik typu forward z dwoma łącznikami Działanie tego przekształtnika jest identyczne z działaniem układu z jednym łącznikiem. Zawory S i S2 są włączane i wyłączane jednocześnie, a funkcję rozmagnesowującą pełnią diody D3 i D4. Imag Rys. 3. Podstawowe przebiegi prądów i napięcia (przekształtnik forward z dwoma łącznikami) 3.5.2. Przekształtnik typu flyback Asymetryczny przekształtnik typu flyback z pojedynczym łącznikiem przedstawiony został na Rys. 3.2. Natomiast na Rys. 3.5 przedstawiono przekształtnik typu flyback z dwoma łącznikami. Są to układy przetwornic dwutaktowych z transformatorem magazynującym energię. Układy te posiadają dwa tryby pracy w których transformator jest całkowicie odmagnetyzowany (z ang. discontinuous mode) lub niecałkowicie (z ang. continuous mode). Przebiegi dla obu trybów pracy przedstawiano na Rys. 3.3 i Rys. 3.4. 5

D L C Tr S Rys. 3.2 Przekształtnik typu flyback z pojedynczym łącznikiem W układzie przetwornicy dwutaktowej z jednym łącznikiem, podczas przewodzenia tego łącznika energia pobierana jest ze źródła U d i magazynowana w rdzeniu transformatora. W tym czasie dioda D jest spolaryzowana zaporowo. Prąd uzwojenia wtórnego transformatora jest równy zeru, a odbiornik pobiera energię z kondensatora C. W chwili wyłączenia łącznika S następuje przerwanie prądu pierwotnego transformatora i zaindukowanie w uzwojeniu wtórnym napięcia polaryzującego diodę D w kierunku przewodzenia. Energia zgromadzona w transformatorze jest przekazywana do kondensatora C i odbiornika. n U d + U o n 2 a n2 U o = U d - a n Rys. 3.3 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia dla trybu przerywanego 6

U d n + U n 2 o a n2 U o = U d - a n Rys. 3.4 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia dla trybu ciągłego Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.9), zatem jest to układ obniżająco-podwyższający napięcie. Ti Uo = n U (3.9) d t p Ti Indukcyjność rozproszenia uzwojeń transformatora ma w tym układzie niekorzystny wpływ na warunki pracy łącznika tranzystorowego przy jego wyłączaniu. W chwili przerwania prądu pierwotnego transformatora indukuje się przepięcie przekraczające 2U d. Na Rys. 3.5 przedstawiono schemat przetwornicy dwutaktowej z dwoma łącznikami. t p D3 S2 D C D4 Tr S Rys. 3.5 Przekształtnik flyback z dwoma łącznikami Działanie układu jest identyczne do przetwornicy z jednym łącznikiem. Diody D3 i D4 pełnią funkcję rozmagnesowującą, jednocześnie ograniczając wartość napięcia tranzystorów do wartości U d. W układzie tym oba łączniki są włączane i wyłączane równocześnie. Odpowiednie przebiegi pokazano na Rys. 3.6 Podstawowe przebiegi w układzie z dwoma tranzystorami W obu przypadkach rdzeń transformatora jest magnesowany jednokierunkowo. Stąd też, w celu uniknięcia nasycenia, rdzeń musi mieć odpowiednio duży przekrój. Niezbędna jest także szczelina powietrzna. 7

n - Ud n 2 Rys. 3.6 Podstawowe przebiegi w układzie z dwoma tranzystorami 3.6. Izolowane przekształtniki DC/DC symetryczne Przekształtniki symetryczne wykorzystujące zawsze parzystą ilość łączników charakteryzują się lepszym wykorzystaniem magnetycznym transformatora. Porównanie wykorzystania rdzenia przedstawiono na Rys. 4.2. Dzięki lepszemu wykorzystaniu magnetycznemu transformatory w tych przekształtnikach są mniejsze i lżejsze od tych stosowanych w przekształtników asymetrycznych tej samej mocy. Najczęściej stosowane są trzy struktury symetryczne: - push-pull - układ półmostkowy - układ mostkowy 3.6.. Przekształtnik typu PUSH-PULL Konwerter przeciwsobny typu PUSH-PULL, którego transformator posiada dwusekcyjne uzwojenie pierwotne, przedstawiono na Rys. 3.7. Podstawowe przebiegi dla tego układu przedstawia Rys. 3.8. D2 S Ud Tr D5 D6 L S2 C D Rys. 3.7 Przekształtnik typu push-pull 8

Każda z sekcji tego transformatora jest dołączana za pomocą łączników S i S2 do zacisków napięcia zasilającego. W tym czasie energia jest przekazywana za pośrednictwem transformatora i diody prostowniczej D5 lub D6 do obwodu odbiornika. Prąd płynący przez tą diodę zwiększa energię dławika L, która po wyłączeniu tranzystorów jest przekazywana do obciążenia. Zatem zadaniem dławika jest chwilowe magazynowanie energii oraz filtrowanie napięcia i prądu odbiornika. Rys. 3.8 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia W czasie wyłączenie łączników prąd płynie przez obie sekcje uzwojenia wtórnego transformatora oraz obie diody D5 i D6. Wartość średnia napięcia wyjściowego jest określona wzorem (3.0), zatem jest to układ obniżający napięcie. t p Uo = 2n Ud (3.0) T 3.6.2. Przekształtnik półmostkowy Kolejny przekształtnik półmostkowy (z ang. half-bridge), którego układ tworzą: transformator posiadający pojedyncze uzwojenie pierwotne i dzielone uzwojenie wtórne, dwa łączniki tworzące połowę mostka oraz dwa kondensatory spełniające role dwóch pozostałych gałęzi mostka, przedstawiono na Rys. 3.9. i 9

C2 T D Ud Tr D5 L D6 T2 D2 C C3 Rys. 3.9 Przekształtnik półmostkowy (half-bridge) Przedstawiony na Rys. 3.9 przekształtnik półmostkowy należy do układów jednotaktowych, gdyż energia poprzez transformator przekazywana jest podczas przewodzenia jednego z łączników T lub T2. Kondensatory elektrolityczne C2 i C3 dzielą napięcie zasilania U d na dwa równe napięcia U d /2, które w stanach przewodzenia poszczególnych łączników jest doprowadzane do uzwojenia pierwotnego transformatora. Wymusza to po stronie wtórnej zwiększenie prądu dławika L. W stanie wyłączenia łączników prąd płynie w obwodzie zawierającym oba uzwojenia wtórne transformatora oraz diody prostownicze D5 i D6, zmniejszając energie dławika. Podstawowe przebiegi dla tego układu przedstawia Rys. 3.20. Rys. 3.20 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia 20

Wartość średnia napięcia wyjściowego jest określona wzorem, zatem jest to również układ obniżający napięcie. U o t p = n Ud (3.) T i 3.6.3. Przekształtnik mostkowy Na Rys. 3.2 przedstawiono układ przekształtnika mostkowego. Transformator w tym układzie również posiada tylko pojedyncze uzwojenie pierwotne ale sterowane poprzez cztery łączniki w gałęziach pełnego mostka (z ang. full-bridge). T D T3 D3 Ud Tr D5 L D6 T2 D2 T4 D4 C Rys. 3.2 Przekształtnik mostkowy (full-bridge) Układ mostkowy zostanie dokładnie omówiony w rozdziale 5. Również tam znajdą się odpowiednie przebiegi (Rys. 5.). Działanie układu jest analogiczne do układu półmostkowego z tą różnicą, że mostek tworzą cztery łączniki. Z uwagi na fakt, że energia jest doprowadzana do obwodu odbiornika w czasie przewodzenia łączników, przekształtnik mostkowy zalicza się również do układów jednotaktowych, umożliwiających regulację napięcia od zera do nu d (układ obniżający napięcie). 2

4. Analiza topologii układów przetwornic 4.. Porównanie poszczególnych topologii Każdy z układów omówionych w rozdziale 3 charakteryzuje się pewnymi stratami występującymi w aktywnych łącznikach, diodach prostownika oraz stratami magnetycznymi i w układach sterowania. W tabeli Tabela 4. przedstawiono zestawienie estymowanej sprawności oraz strat, natomiast w tabeli Tabela 4.2 zebrano istotne parametry napięć i prądów elementów mocy. Topologia układu Rodzaj łączników Ogólna Procentowy udział w ogólnych stratach sprawność Łączniki Prostownik Magnetyczne Inne IGBT MOS % % % % % Buck X 72 42 48 5 5 X 76 35 55 5 5 Boost X 74 55 35 5 5 X 77 48 42 5 5 Buck-boost X 74 55 35 5 5 X 77 48 42 5 5 Flyback X 75 44 46 5 5 X 78 33 57 5 5 Forward X 74 44 46 5 5 X 77 33 57 5 5 Push-pull X 69 50 40 5 5 X 72 40 50 5 5 Half-bridge X 69 48 42 5 5 X 72 40 50 5 5 Full-bridge X 65 50 40 5 5 X 70 40 50 5 5 Tabela 4. Estymowana sprawność i straty dla poszczególnych topologii 22

W przekształtnikach w zależności od topologii układu występują różne narażenia dla aktywnych elementów mocy. Najwyższe wartości napięć kolektor-emiter lub dren-źródło występują w układach typu forward i push-pull. W związku z tym konieczne jest stosowanie w tych układach drogich tranzystorów wysokonapięciowych. Wadą układów typu half-bridge jest konieczność stosowania w gałęziach mostka dużych, drogich kondensatorów niskoimpedancyjnych ze względu na płynące przez nie duże prądy. Topologia IGBT MOS Prostownik układu V CE0 I C V DSS I D V R I F Buck Boost V in V out Buck-boost Vin Vout Flyback.7V in ( max) Forward Push-pull Half-bridge Full-bridge 2.0V in 2.0V in V in V in I out V in ( P ) 2.0 out V in ( min) ( P ) ( min) V out 2.0 out Vin Vout Vin ( P ) 2.0 out.5v in ( max) V in( min) ( P ).5 out V in ( min) ( P ).2 out V in ( min) ( P ) 2.0 out V in ( min) ( P ).2 out V in ( min) 2.0V in 2.0V in V in V in I out V in ( P ) 2.0 out V in ( min) ( P ) ( min) I out V out I out 2.0 out Vin Vout I out Vin ( P ) 2.0 out V in ( min) ( P ).5 out V in ( min) ( P ).2 out V in ( min) ( P ) 2.0 out V in ( min) ( P ) 2.0 out V in ( min) 5.0V out I out 3.0V out I out 2.0V out I out 2.0V out I out 2.0V out I out Tabela 4.2 Parametry graniczne napięć i prądów elementów mocy Ze względów ekonomiczno-technicznych zastosowanie odpowiedniej topologii układu jest zależne od wymaganej obciążalności przekształtnika oraz od napięcia wejściowego przetwornicy. Obszary zastosowania poszczególnych topologii w zależności od wymaganej mocy wyjściowej, zakresu napięcia wejściowego oraz wymogu izolacji pomiędzy wejściem a wyjściem przedstawiono w tabeli Tabela 4.3. 23

Topologia Zakres mocy V IN (DC) Izolacja układu W V In/Out Buck 0-000 5.0-000 NIE Boost 0-50 5.0-600 NIE Buck-boost 0-50 5.0-600 NIE Flyback 0-250 5.0-500 TAK Forward 0-50 5.0-600 TAK Push-pull 00-000 50-000 TAK Half-bridge 00-500 50-000 TAK Full-bridge 400-2000+ 50-000 TAK Tabela 4.3 Zestawienie zakresu mocy i napięcia wejściowego Zakres stosowalności poszczególnych topologii można przedstawić na diagramie zamieszczonym poniżej (Rys. 4.). Napięcie wejściowe DC [V] 000 00 0 Przekształtniki półmostkowe Przetwornice jednoi dwutaktowe Przekształtniki mostkowe Zbyt wysoka wartość szczytowa impulsów prądowych 0 000 Moc wyjściowa [W] Rys. 4. Obszar zastosowania poszczególnych topologii 24

Duże znaczenie przy wyborze topologii układu przekształtnika ma również wykorzystanie magnetyczne rdzenia transformatora. Stąd też znacznie korzystniejsze jest stosowanie w układach dużych mocy struktur symetrycznych typu push-pull, half-bridge lub full-bridge. Na Rys. 4.2 przedstawiono krzywe magnesowania transformatora dla różnych topologii przekształtnika. B przekształtniki symetryczne forward przekształtniki asymetryczne Bs 2Bs flyback H push-pull, half-bridge, full-bridge Rys. 4.2 Porównanie wykorzystania magnetycznego rdzenia transformatora 4.2. Wybór topologii układu Ze względu na wymaganą moc przetwornicy oraz wymagane parametry takie jak izolacja pomiędzy wejściem a wyjściem zastosowane mogły być tylko układy typu push-pull, half-bridge oraz full-bridge. Ponieważ przetwornica będzie zasilana z sieci elektrycznej 230V zastosowanie układu push-pull byłoby związane z koniecznością stosowania wysokonapięciowych tranzystorów. Przy mocy kva również kłopotliwe byłoby zastosowanie układu pół-mostkowego ze względu na konieczność dobrania kondensatorów na wysokie napięcie i duży prąd o niskim. Powyższe względy zadecydowały o przyjęciu topologii pełno-mostkowej, którą następnie zmodyfikowano dodając specjalny dławik wyjściowy. 25

5. Właściwości wybranej topologii 5.. Układ klasycznego przekształtnika mostkowego Przekształtnik mostkowy, którego schemat pokazano na Rys. 5. składa się z czterech łączników, transformatora z dzielonym uzwojeniem wtórnym oraz dwupołówkowego prostownika i filtru wyjściowego LC. Konwerter jest sterowany trójstanowym sygnałem PWM. Najważniejsze przebiegi napięć i prądów przedstawione są na Rys. 5.2. Przekształtnik mostkowy należy do układów, w których transformator przekazuje energię do obwodu obciążenia w przedziałach czasu gdy przewodzą tranzystory, jest więc układem jednotaktowym. T D T3 D3 Ud Tr D5 D6 L T2 D2 T4 D4 C Robc Rys. 5. Schemat klasycznego układu przekształtnika mostkowego. Konwerter posiada cztery cykle pracy. W cyklu pierwszym przewodzi para tranzystorów T i T4. W tym czasie dioda D6 jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia i płynie przez nią prąd i o zwiększający energię dławika L, która po wyłączeniu tranzystorów jest przekazywana do odbiornika. Natomiast dioda D5 pozostaje w tym czasie spolaryzowana w kierunku zaporowym i nie przewodzi. Zadaniem dławika jest chwilowe magazynowanie energii oraz filtrowanie napięcia i prądu odbiornika. W drugim cyklu wszystkie łączniki są wyłączone, a prąd odbiornika płynie w obwodzie zawierającym dwie sekcje uzwojenia wtórnego transformatora oraz diody D5 i D6, przez które płynie również zanikający prąd magnesujący rdzeń transformatora. W trakcie trzeciego cyklu, gdy przewodzą tranzystory T2 i T3, dioda D5 zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i płynie przez nią prąd obciążenia. Cykl ostatni jest identyczny jak cykl drugi. W trakcie tego cyklu wszystkie łączniki są wyłączone, a prąd płynie przez diody D5 i D6 oraz dwie sekcje uzwojenia wtórnego transformatora. Prądy płynące przez diody D5 i D6 są proporcjonalne do liczby amperozwojów uzwojeń wtórnych transformatora. Asymetria prądów płynących przez diody powoduje asymetrię prądu magnesującego rdzeń i prowadzi do nasycenia rdzenia transformatora. 26

Podstawowe przebiegi napięć i prądów w przekształtniku przedstawiono na Rys. 5.2. Rys. 5.2 Podstawowe przebiegi napięć i prądów w przekształtniku mostkowym. W celu uniknięcia przepięć powstających na indukcyjności rozproszenia uzwojenia pierwotnego, stosuje się diody D do D4, włączone odwrotnie równolegle do tranzystorów. Na Rys. 5.3 przedstawiono charakterystyki magnesowania rdzenia dla warunku optymalnego a) oraz przy nasyceniu dodatnim b) i ujemnym c). 27

Rys. 5.3 Charakterystyki magnesowania (B-H) a) charakterystyka idealna b) dodatnie nasycenie rdzenia c) ujemne nasycenie rdzenia. Kolejną przyczyną nasycania się rdzenia jest pojawienie się składowej stałej prądu magnesującego transformatora lub strumienia transformatora. Mogą się one pojawić w wyniku braku symetrii sterowania tranzystorów, przy różnicach w czasach przełączania tranzystorów lub też różnych spadkach napięć przewodzenia tranzystorów. Skutecznym sposobem eliminacji składowej stałej jest zastosowanie kondensatora symetryzującego C2, włączonego szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora jak na Rys. 5.4. Pojemność kondensatora powinna być tak dobrana, aby napięcie na nim było zawarte w granicach (0.05 0.) U d. T D T3 D3 Ud C2 Tr D5 D6 L T2 D2 T4 D4 C Robc Rys. 5.4 Układ przekształtnika mostkowego z kondensatorem symetryzującym. 28

5.2. Układ przekształtnika mostkowego z dzielonym dławikiem W klasycznym przekształtniku mostkowym, gdy wszystkie tranzystory są wyłączone na skutek asymetrii prądów płynących przez diody D5 i D6 (a tym samym przez obie części uzwojenia wtórnego transformatora Tr) może dochodzić do zjawiska nasycania rdzenia opisanego w podrozdziale 5.. Aby tego uniknąć można stosować układy kompensacji tych prądów, jednak jest to bardzo skomplikowane i nie efektywne. Innym rozwiązaniem jest wprowadzenie zmiany w dławiku wyjściowym poprzez zwiększenie ilości zwojów i wyprowadzenie odpowiedniego zaczepu. Wymagana ilość zwojów cewki L2 jest zależna bezpośrednio od indukcyjności rozproszenia strony wtórnej transformatora oraz od napięcia wyjściowego. Zastosowanie opisanego wyżej dławika dzielonego zapobiega nasycaniu transformatora, nawet przy niesymetriach w układzie lub/i sterowaniu. Dzieje się tak dlatego, że po zastosowaniu takiego rozwiązania dławika, prąd w uzwojeniu wtórnym transformatora spada do zera za każdym razem gdy są wyłączone wszystkie tranzystory. T D T3 D3 Ud C2 Tr D5 D6 L2 L T2 D2 T4 D4 C Robc D7 Rys. 5.5 Układ przekształtnika mostkowego z dławikiem dzielonym (tapped inductor). Dioda D7 przechodząc w stan przewodzenia tworzy alternatywną drogę dla prądu komutacyjnego dławika, podczas gdy w tym samym czasie diody D5 i D6 zostają spolaryzowane zaporowo. Dzięki temu diody przewodzą tylko podczas załączenia odpowiedniej pary kluczy, a nie tak jak to ma miejsce w układzie klasycznym, gdzie prąd przez te diody płynie również w czasie wyłączenia wszystkich tranzystorów. Kolejna korzyść ze stosowania dzielonego dławika jest taka, że dodatkowo przy zastosowaniu dławika dzielonego, w momencie gdy prąd przepływa przez diodę D7, odpowiednio dioda D5 lub D6 ma wystarczającą ilość czasu na odzyskanie własności zaworowych. Anody obu tych diod (D5 i D6) są podłączone do środkowego odczepu dławika (lewy zacisk cewki L na Rys. 5.5). Gdy wszystkie łączniki są wyłączone dławik złożony z cewek L,L2 staje się dzielnikiem napięcia i polaryzuje diody D5 i D6 w kierunku zaporowym. Zapobiega to przepływowi prądów komutacyjnych przez uzwojenia wtórne transformatora i polaryzacji jego rdzenia. Dzięki pełnemu odzyskiwaniu zdolności zaworowych przez diody D5 i D6 następuje redukcja narażenia łączników tranzystorowych T,...,T4. Porównując przebieg prądu I D5 lub I D6 na Rys. 5.2 i na Rys. 5.6 można zauważyć prąd ten w układzie z dławikiem dzielonym w czasie gdy nie przewodzą klucze jest równy zero 29

(przy pominięciu wpływu indukcyjności rozproszenia w przeciwnym razie szybko spada do zera). Rys. 5.6 Podstawowe przebiegi napięć i prądów w przekształtniku mostkowym z dławikiem dzielonym. 5.3. Układ ogranicznika przepięć Dalsze udoskonalenie układu z podrozdziału 5.2 osiągnięto przez dodanie do niego obwodu ogranicznika przepięć (z ang. clamp circuit, snubber) przedstawionego na Rys. 5.7. Tr D5 D6 L2 L D8 C Robc C3 D7 D9 Rys. 5.7 Układ ograniczający przepięcia. 30

Działanie układu ograniczającego przepięcia z kondensatorem C3 i diodami D8 i D9 może być opisane w sposób podany poniżej. Na rysunkach Rys. 5.8 dorys. 5.3 przedstawione zostały schematy odpowiadające pierwszym sześciu cyklom pracy przekształtnika. CYKL: Gdy tranzystory T i T4 są jednocześnie włączane w czasie t 0, napięcie wejściowe U d jest przyłączone do uzwojenia pierwotnego transformatora Tr. Prąd pierwotny tego transformatora I Tr narasta z nachyleniem U d /L Tr. W przedziale czasu (t 0 ~t ) dzięki temu, że prąd wtórny transformatora I Tr2 jest mniejszy od prądu obciążenia I 0, prąd obciążenia jest sumą prądu płynącego przez diodę D7 i uzwojenie główne (L) dławika oraz prądu wtórnego transformatora. Polaryzacje napięć uzwojeń dławika (głównego L i pomocniczego L2) pozostają niezmienione, ponieważ prąd wyjściowy jest podtrzymywany przez obydwa uzwojenia dławika. T D T3 D3 Ud Tr D5 D6 - + - + L2 L D8 T2 D2 T4 D4 Robc C3 D7 D9 Rys. 5.8 Cykl pierwszy pracy układu CYKL2: Kiedy prąd wtórny transformatora osiąga wartość większą od I 0, indukuje się napięcie wtórne transformatora. Równocześnie prąd diody D7 przepływający przez uzwojenie dodatkowe dławika spada do zera. Dioda D7 zostaje wyłączona, a polaryzacja pierwotnego i wtórnego uzwojenia dławika zostaje odwrócona. W tym czasie prąd wtórny I Tr2 zapewnia prąd wyjściowy I 0 oraz prąd ładowania I C3 przepływający przez kondensator C3 i uzwojenie dodatkowe dławika L2. Gdy kondensator C3 zostanie naładowany do napięcia 2U L2, napięcie uzwojenia wtórnego transformatora można wyznaczyć jako sumę następujących napięć: napięcia blokowania na uzwojeniu pomocniczym dławika (-U d ), napięcia kondensatora (U c3 = 2U d ) oraz napięcia wyjściowego U 0. Tak więc zastosowany układ ogranicza przepięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora do wartości (U d + U 0 ). 3

T D T3 D3 Ud Tr D5 D6 + - + - L2 L D8 T2 D2 T4 D4 + - Robc C3 D7 D9 Rys. 5.9 Cykl drugi pracy układu CYKL3: W przedziale czasu od t 2 do t 3 po całkowitym naładowaniu kondensatora C3 przekształtnik transferuje tylko moc z wejścia do obciążenia, ponieważ prąd wtórny transformatora I Tr2 dostarczany jest bezpośrednio do obciążenia. T D T3 D3 Ud Tr D5 D6 + - + - L2 L D8 T2 D2 T4 D4 + - Robc C3 D7 D9 Rys. 5.0 Cykl trzeci pracy układu CYKL4: Gdy w czasie t 3 zostają wyłączone tranzystory T i T4, prąd pierwotny transformatora płynący przez diody zwrotne tranzystorów spada poniżej I 0 /n. Zmienia się polaryzacja uzwojeń dławika. Zanika napięcie pierwotne i wtórne transformatora. W tym czasie suma napięć uzwojenia pomocniczego dławika i kondensatora polaryzuje wstecznie uzwojenie wtórne transformatora oraz diody prostownicze D5 i D6. Przy takiej polaryzacji energia rozproszenia transformatora spada, co powoduje obniżenie prądu wtórnego transformatora do zera. Zanika również szczątkowy prąd magnesujący transformatora I Tr. W tym czasie energia zgromadzona w kondensatorze C3 zostaje rozładowana przez uzwojenia dławika do obciążenia! 32

T D T3 D3 Ud Tr D5 D6 - + - + L2 L D8 T2 D2 T4 D4 + - Robc C3 D7 D9 Rys. 5. Cykl czwarty pracy układu CYKL5: Na skutek spadku prądu transformatora do zera, zostaje wyłączona dioda D5, a prąd wyjściowy zaczyna płynąć przez diodę D7 i uzwojenia dławika podtrzymując przepływ prądu odbiornika do czasu załączenia tranzystorów T2 i T3. Jednocześnie na skutek braku przepływu prądu, odzyskują zdolności zaworowe diody D2 i D3. Tr D5 D6 - + - + L2 L D8 Robc D7 C3 D9 Rys. 5.2 Cykl piąty pracy układu CYKL6: Po załączeniu tranzystorów w przeciwnej przekątnej (T2 i T3) następuje stan analogiczny do cyklu. 33

T D T3 D3 Ud Tr D5 D6 - + - + L2 L D8 T2 D2 T4 D4 Robc C3 D7 D9 Rys. 5.3 Cykl szósty pracy układu Opis dalszych cykli pracy przekształtnika został pominięty ze względu na analogię do przytoczonych powyżej. 34

6. Badania symulacyjne Badania symulacyjne działania układu przeprowadzono za pomocą programu symulacyjnego Linear Technology LTC SwitcherCAD III. Jest to program opracowany specjalnie z myślą o projektantach układów impulsowych. SwitcherCAD został opracowany na bazie programu symulacyjnego SPICE. Ten wysoce wydajny symulator obwodów elektrycznych został zintegrowany z nakładką graficzną do rysowania schematów, a także procesorem graficznym pozwalającym na przedstawienie wyników w postaci wykresów dowolnych napięć i prądów w symulowanym układzie. Pozwala to w szybki sposób przetestować różne koncepcje układu, a także dobrać optymalne parametry. W niniejszym rozdziale zamieszczono wyniki symulacji układu klasycznego przekształtnika mostkowego oraz układu z dławikiem dzielonym i układem snubber owym. W rozdziale 7 zamieszczono wyniki eksperymentalne dla obu tych konfiguracji. Na Rys. 6. pokazano widok interfejsu programu SwitcherCAD. Rys. 6. Interfejs programu symulacyjnego LTC SwitcherCAD III 35

6.. Symulacja klasycznego układu przekształtnika mostkowego W programie symulacyjnym został narysowany schemat układu przetwornicy opisanego w rozdziale 5.. Na Rys. 6.2 przedstawiono przykładowy schemat symulowanego układu. Dzięki bogatej bibliotece elementów symulacje można było przeprowadzić na modelach podzespołów o parametrach zbliżonych do rzeczywistych. Pełny schemat symulowanego układu zamieszczono w Załączniku A. Oznaczenia elementów zgodne ze schematem zamieszczonym w tym załączniku oraz schematem poniżej. Rys. 6.2 Schemat układu przekształtnika mostkowego w programie symulacyjnym. Układ klasycznego przekształtnika mostkowego jest bardzo wrażliwy na niesymetrię sterowania, jak również na różnicę parametrów tranzystorów. Aby zabezpieczyć układ przed nasyceniem transformatora, co byłoby jednoznaczne ze zniszczeniem przetwornicy stosuje się kondensator włączony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora (Rys. 5.4). 36

Na Rys. 6.3 przedstawiono przebiegi napięcia i prądu pierwotnego transformatora przy prawidłowym sterowaniu, a na Rys. 6.4 w przypadku niesymetrii sterowania. Rys. 6.3 Przebieg napięcia i prądu pierwotnego przetwornicy w układzie symetrycznym V(2)-V() - napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora I(L) prąd pierwotny transformatora Rys. 6.4 Przebieg napięcia i prądu pierwotnego przetwornicy przy braku symetrii sterowania V(2)-V() - napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora I(L) prąd pierwotny transformatora 37

Dalsze wyniki badań symulacyjnych przedstawione w tym podrozdziale otrzymane zostały dla układu mostkowego przy sterowaniu symetrycznym. Na Rys. 6.5 przedstawiono następujące wykresy: napięcie sterujące bramki dolnego tranzystora mostka, spadek napięcia na tym tranzystorze oraz prąd jego drenu. Rys. 6.5 Przebieg prądu i napięcia na dolnym tranzystorze mostka V(g2) - napięcie sterujące bramki tranzystora V() - spadek napięcia na tranzystorze Id(M2) - prąd drenu tranzystor Na Rys. 6.6 przedstawiono analogiczne przebiegi dla tranzystora górnego. Rys. 6.6 Przebieg prądu i napięcia na górnym tranzystorze mostka V(g)-V() - napięcie sterujące bramki tranzystora V(n00)-V() - spadek napięcia na tranzystorze Id(M) - prąd drenu tranzystora 38

Widoczne na przebiegach z Rys. 6.5 i Rys. 6.6 przepięcia pojawiające się w momencie wyłączania tranzystora w układzie rzeczywistym są tłumione przez układy snubber owe. Na Rys. 6.7 umieszczono przebieg prądu pobieranego z szyny DC (którą w badanym układzie stanowi źródło napięciowe V5) z odniesieniem do sygnałów bramkowych. Rys. 6.7 Przebieg impulsów sterujących i prądu pobieranego z zasilania DC V(g)-V(), V(g3)-V(2) napięcia sterujące bramek tranzystorów -I(V5) prąd pobierany z szyny DC Kolejne przebiegi z Rys. 6.8 przedstawiają napięcie i prąd wyjściowy przetwornicy zarejestrowane podczas symulacji jej rozruchu. Rys. 6.8 Przebieg napięcia i prądu w obciążeniu podczas rozruchu przetwornicy I(R) prąd w obciążeniu V(wy) napięcie wyjściowe przetwornicy Rys. 6.9 przedstawia przebiegi prądu i napięcia na uzwojeniu pierwotnym transformatora oraz prądu i napięcia na diodzie D prostownika wyjściowego. 39

Rys. 6.9 Przebieg prądu i napięcia na diodzie D prostownika wyjściowego oraz prąd i napięcie strony pierwotnej transformatora V(2)-V() napięcie transformatora I(L) prąd pierwotny transformatora V(out)-V(out) spadek napięcia na diodzie D I(D) prąd w diodzie D Prąd płynący przez diodę prostowniczą przepływa również w momencie wyłączenia wszystkich tranzystorów sterujących. Ponieważ przepływa równocześnie przez obie diody to wartość tego prądu jest równa połowie prądu odbiornika. 6.2. Symulacja układu ze zmodyfikowanym dławikiem W tym podrozdziałem zostały zamieszczone wyniki badań symulacyjnych przeprowadzonych na układzie z Rys. 5.5, czyli dla układu mostkowego z dławikiem dzielonym i układem ograniczającym przepięcia. Na Rys. 6.0 przedstawiono prąd i napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora. Pełny schemat symulowanego układu zamieszczono w załączniku. Rys. 6.0 Przebieg napięcia i prądu pierwotnego przetwornicy V(2)-V() - napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora I(L) prąd pierwotny transformatora 40

Kolejne przebiegi zamieszczone na Rys. 6. i Rys. 6.2 przedstawiają prądy i spadki napięć na dolnym i górnym tranzystorze mostka. Rys. 6. Przebieg prądu i napięcia na dolnym tranzystorze mostka V(g2) - napięcie sterujące bramki tranzystora V() - spadek napięcia na tranzystorze Id(M2) - prąd drenu tranzystora Rys. 6.2 Przebieg prądu i napięcia na górnym tranzystorze mostka V(g)-V() - napięcie sterujące bramki tranzystora V(n00)-V() - spadek napięcia na tranzystorze Id(M) - prąd drenu tranzystora 4

Na Rys. 6.3 umieszczono przebieg prądu pobieranego ze źródła DC z odniesieniem do sygnałów bramkowych. Rys. 6.3 Przebieg impulsów sterujących i prądu pobieranego z zasilania DC V(g)-V(), V(g3)-V(2) napięcia sterujące bramek tranzystorów -I(V5) prąd pobierany z szyny DC Przebiegi z Rys. 6.4 przedstawiają napięcie i prąd wyjściowy przetwornicy zarejestrowane podczas symulacji jej rozruchu. Rys. 6.4 Przebieg napięcia i prądu w obciążeniu podczas rozruchu przetwornicy I(R) prąd w obciążeniu V(wy) napięcie wyjściowe przetwornicy 42

Przebiegi zamieszczone na Rys. 6.5 przedstawiają przebiegi prądu i napięcia na diodzie prostowniczej. Dla odniesienia na tym rysunku umieszczono również przebiegi prądu i napięcia na uzwojeniu pierwotnym transformatora. Rys. 6.5 Przebieg napięcia i prądu na diodzie D prostownika wyjściowego oraz prąd i napięcie strony pierwotnej transformatora V(2)-V() napięcie transformatora I(L) prąd pierwotny transformatora V(out)-V(out) spadek napięcia na diodzie prostowniczej I(D) prąd w diodzie prostowniczej W odróżnieniu od układu klasycznego (przebieg I(D) z Rys. 6.9) zastosowanie dzielonego dławika powoduje, że prąd przez diodę D płynie, tak jak to wynikało z rozważań teoretycznych w rozdziale 5, tylko w czasie załączenia odpowiedniej pary tranzystorów sterujących. 43

Na Rys. 6.6 zamieszczono przebiegi symulacji obwodu tłumienia przepięć dławika dzielonego. Przebiegi przedstawiają prądy w diodach D3, D4, D5, napięcie na kondensatorze C3, a także prąd w uzwojeniu dodatkowym dławika (L5) i prąd w przewodzie zerowym uzwojenia wtórnego transformatora. Oznaczenia elementów zgodne ze schematem zamieszczonym w Załączniku B. Rys. 6.6 Przebieg napięć i prądów w układzie snubber owym V(2)-V() napięcie transformatora I(D) prąd w diodzie prostowniczej D I(L2)-I(L3) prąd w przewodzie zerowym uzwojenia wtórnego transformatora I(L5) prąd w uzwojeniu dodatkowym dławika V(n002)-V(n003) napięcie na kondensatorze I(D3), I(D4), I(D5) prąd w diodach D3, D4, D5 44

7. Badania eksperymentalne W celu weryfikacji wyników przeprowadzonych badań symulacyjnych został zaprojektowany i wykonany układ przekształtnika mostkowego pozwalający na pracę w dwóch konfiguracjach jako klasyczny układ mostkowy i po przełączeniu odpowiednich zwór jako układ przetwornicy mostkowej z dzielonym dławikiem oraz układem snubber owym. Parametry zaprojektowanej przetwornicy: - Układ impulsowy - Zasilanie 230V ± 5% AC - Maksymalna moc wyjściowa P o = kw - Maksymalny prąd wyjściowy I o = 20A - Napięcie wyjściowe U o = 50V - Ograniczenie prądowe na wyjściu - Odporność na zwarcie wyjścia przetwornicy - Izolacja galwaniczna pomiędzy wejściem a wyjściem układu 7.. Realizacja praktyczna układu przetwornicy Zgodnie z wymienionymi powyżej parametrami opracowano układ przekształtnika mostkowego, którego schemat blokowy przedstawia rysunek Rys.7.. Filtr wejściowy Prostownik niesterowany Układ miękkiego rozruchu (soft-start) Przekształtnik mostkowy Filtr wyjściowy Obciążenie Układ sterowania Sygnały pomiarowe Wielkości zadane Rys. 7. Schemat blokowy układu przekształtnika Jako elementy przełączające zastosowano tranzystory IGBT o małej wartości napięcia U CE sat zapewniające niskie straty mocy w stanie ich przewodzenia. Celem ograniczenia strat mocy związanych z kluczowaniem wybrano stosunkowo niską częstotliwość przełączania wynoszącą 30kHz. Schematy ideowe poszczególnych bloków zamieszczono w załączniku. Separację galwaniczną obwodu sieciowego układu mocy od obwodu obciążenia zrealizowano za pomocą transformatora Tr wykonanego w technologii planarnej. 45

7... Transformator planarny Zasilacze zawierające duże transformatory stanowiły pewien czynnik ograniczający możliwości miniaturyzacji systemów elektronicznych. Transformatory planarne pozwalają projektantom pokonać to ograniczenie i uzyskać mniejsze rozmiary zasilaczy dzięki dużej gęstości mocy, możliwości pracy z większymi częstotliwościami i większej sprawności, przy jednocześnie niższym koszcie w porównaniu z rdzeniami toroidalnymi a nawet klasycznymi. Koszt ten może być taki korzystny ze względu na prostą konstrukcję, możliwość wyeliminowania karkasu lub konieczności skomplikowanego nawijania uzwojeń na rdzeniu toroidalnym. Ponadto sposób konstrukcji transformatorów planarnych zapewnia dużą powtarzalność produkcji. Rys. 7.2 Konstrukcja transformatora planarnego Transformatory planarne zapewniają pracę z dużą sprawnością, rzędu 97%, przy wielkich częstotliwościach, sięgających zazwyczaj 500kHz. Ich maksymalna częstotliwość pracy sięga MHz (przy zmniejsz. gęstości strumienia magnetycznego). Parametry takie osiągają dzięki płaskim uzwojeniom, pozwalającym na duże gęstości mocy. Materiał przewodzący uzwojeń transformatorów tradycyjnych nie jest w pełni wykorzystany, co wynika ze zjawiska naskórkowości koncentracji przepływu prądu w pobliżu powierzchni przewodnika. Ma to miejsce zwłaszcza przy większych częstotliwościach. W efekcie obszar przewodzący jest mniejszy od przekroju przewodu, czemu towarzyszy wzrost rezystancji zmiennoprądowej w stopniu zależnym od wymiarów obszaru przewodzącego. W transformatorze planarnym uzwojeniami są płaskie ścieżki miedzi naniesione na materiał izolacyjny druku. Przy większych mocach uzwojenia mogą być też wykonywane z cienkich folii miedzianych. Następuje tu koncentracja przepływu prądu przy brzegach ścieżek, niemniej jednak prąd płynie w całym ich przekroju, a gęstość prądu jest większa, niż w przypadku przewodnika o przekroju kołowym. W efekcie sprawność transformatora planarnego może być znacznie większa od transformatora tradycyjnego i to przy znacznie mniejszych rozmiarach. Konstrukcja planarna zapewnia także redukcję pasożytniczych reaktancji, takich jak pojemność między uzwojeniami czy indukcyjność rozproszenia (zazwyczaj poniżej 0,5%). Mała indukcyjność rozproszenia jest wynikiem podzielenia uzwojenia pierwotnego na części i równego rozmieszczenia uzwojeń wtórnych po obu stronach uzwojenia pierwotnego. Istnieje kilka możliwych technologii wykonania uzwojeń transformatora planarnego. W opracowanym układzie przetwornicy wykorzystano uzwojenia wykonane z cienkiej blachy miedzianej. Takie rozwiązanie jest dużo tańsze od wielowarstwowych obwodów 46

drukowanych, aczkolwiek okupione wyższą indukcyjnością rozproszenia. Na Rys. 7.3 przedstawiono uzwojenie wykonane w formie płytek drukowanych, natomiast na Rys. 7.4 przedstawione jest zdjęcie wykonanego uzwojenia z taśmy miedzianej. Rys. 7.3 Uzwojenie transformatora planarnego w postaci obwodu drukowanego Rys. 7.4 Uzwojenie transformatora planarnego w postaci taśmy miedzianej Na Rys. 7.5 przedstawiono widok wykonanego uzwojenia wraz z połówką rdzenia planarnego. Stosowne obliczenia transformatora zamieszczono w załączniku. Rys. 7.5 Uzwojenie pierwotne transformatora wraz z połówką rdzenia Parametry wykonanego transformatora : - indukcyjność uzwojenia pierwotnego: 3.2mH, - indukcyjność uzwojeń wtórnych: 2 x 448µH. 47