W6. PRZEKSZTAŁTNIKI IMPLSOWE PRĄD STAŁEGO -(2) [L5:str. 167-196] Podstawowym parametrem branym pod uwagę przy projektowaniu przekształtników impulsowych jest częstotliwość łączeń. Zwiększanie częstotliwości umożliwia znaczne zmniejszanie elementów biernych filtrujących przebiegi napięcia i prądu na wejściu i wyjściu przekształtnika. W przypadku przekształtników dużej mocy duże częstotliwości nie mogą być stosowane z uwagi na znaczne straty łączeniowe (patrz W.1) i przeciążenie półprzewodnikowych łączników. W takich przypadkach możliwe jest zastosowanie łączenia równoległego pojedynczych przekształtników tak jak to przedstawiono na schemacie i objaśniających jego działanie przebiegach z rys.6.1 ab. Rys.6.1. Równoległe połączenie 2 przekształtników do układu dwupulsowego: a) schemat; b) przebiegi napięć Zastosowany w układzie dławik L w o silnym ( M 1) sprzężeniu magnetycznym działa jak bezstratny dzielnik napięcia. Efektywna częstotliwość impulsów na odbiorniku jest dwa razy większa niż w każdym z oddzielnych przekształtników pod warunkiem przesunięcia fazy impulsów o pół okresu (T s /2). Problem: Przebiegi z rysunku 6.1. odpowiadają wysterowaniu przekształtników przy współczynniku D<0,5. Jak będą wyglądały przebiegi przy D>0,5? Przekształtnik Ĉuk a Przedstawiane układy przekształtników impulsowych typu zstępującego i wstępującego są klasyfikowane jako bezpośrednie tzn. energia jest przekazywana bezpośrednio przez łączniki zastosowane w obwodzie. Przekształtnik zstępującowstępujący (W5 Rys.5.9) jest przekształtnikiem pośrednim, w którym indukcyjność spełnia funkcję pośredniczącą w przekazywaniu energii. Inną interesującą wersję przekształtnika zstępująco-wstępującego stanowi układ wg. Ĉuk a charakterystyczny tym że od strony wejścia i wyjścia występują indukcyjności co w za-
stosowaniach wysokoczęstotliwościowych jest zaletą gdyż od strony zasilania i odbiornika dopuszczane są doprowadzenia (np. kable łączące) charakteryzujące się indukcyjnością. Schemat układu przedstawiono na rys.6.2 a przebiegi podane obok pozwalają na wyjaśnienie zasady działania. Rys.6.2. Przekształtnik Ĉuk a: a) schemat układu, b) charakterystyczne przebiegi napięć i prądów ilustrując zasadę działania Przedstawione przebiegi dotyczą przykładowego przypadku, gdy współczynnik D 1/3. W stanie ustalonym napięcie na kondensatorze jest z uwagi na znaczną pojemność C stałe i równe różnicy napięć d - o. Korzystając z warunku równej zeru wartości średniej napięcia na jednej z indukcyjności można wyznaczyć zależność na napięcie wyjściowe w funkcji D. Na tej podstawie : L ( AV ) Dd (1 D)( d C) D 1 D o d co odpowiada znanej charakterystyce sterowania dla układu zstępującowstępującego ( patrz W5). kład ma cechy odwracającego napięcie ( znak -) W analizowanym przykładzie dla D 1/3 o = - 2 d. Zgodnie z zasadą zachowania energii dla układu bezstratnego I o(av) = 0,5 I d ( dla podanego przykładu). Prąd kondensatora w jednym cyklu pracy składa się z dodatnich i ujemnych segmentów prądu i d i prądu i o a jego wartość średnia jest równa zero. Problem: Od czego zależy tętnienie prądu w obwodzie wejściowym i wyjściowym przekształtnika. Jak dobrać dla określonej mocy i określonych napięć o i d kondensator by tętnienia napięcia na nim nie przekraczały 5% 0
Zmniejszanie strat łączeniowych [L1: str 254-273 L6: str.273-283] Prezentowane układy przekształtników impulsowych napięcia stałego należą do twardo przełączających. Trajektorię punktu pracy łącznika na wykresie -I przy typowym twardym przełączaniu ilustruje wykres z rys. 6.3. Przy tego rodzaju przełączaniu nie daje się uzyskać bardzo wysokich częstotliwości łączeń (fs<50 khz) i tym samym nie jest możliwe wydatne zmniejszenie objętości i wagi zasilaczy oraz powiększenie ich sprawności. Zastosowanie techniki rezonansowej z pomocniczymi obwodami LC prowadzi do układów przełączających przy zerowym napięciu (ZVS - Zero Voltage Switching) lub/ oraz przy zerowym prądzie (ZCS) dzięki czemu możliwe są częstotliwości nawet powyżej MHz i uzyskanie gęstości upakowania przekształtników powyżej 10W/cm3. Na rys. 6.3. przedstawiono podstawowe konfiguracje łączników zapewniających miękkie załączanie i wyłączanie łączników. Rys.6.3. kłady prostych sterowników napięcia stałego o przełączaniu przy zerze napięcia i zerze prądu: a) trajektoria punktu pracy przy przełączaniu twardym ( czerwona) i miękkim ( zielona), b) przełączanie przy zerze prądu, c) przełączanie przy zerze napięcia, d) przełączanie przy zerze napięcia i zerze prądu Przekształtnik o przełączaniu przy zerowym napięciu (ZVS) Analiza zostanie przeprowadzona dla układu wg. schematu z rys. 6.4. Przy analizie uwzględniono 2 przypadki: pierwszy przy założeniu, że łącznik sterowany typu MOSFET nie ma zdolności blokowania napięcia wstecznego (A) drugi przy założeniu, że taka zdolność występuje (B). W analizowanym układzie łącznik sterujący S jest w stanie spoczynkowym zamknięty (tzw. normalnie zamknięty nz) co znaczy, że napięcie na wyjściu jest równe d. Generacja impulsów sterujących wiąże się z rozwarciem łącznika ( funkcja sterująca S=0). Zwiększanie częstotliwości generacji impulsów prowadzi do obniżenia napięcia wyjściowego.
Rys.6.4. kład przekształtnika ZVS (możliwe dwa typy łącznika S: A łącznik o jednokierunkowym napięciu i dwukierunkowym prądzie, B- łącznik o dwukierunkowym napięciu) Odpowiednie przebiegi z rys.6.5. ilustrują zasadę miękkiego przełączania przy zerowym napięciu na łączniku; Przy analizie jednego cyklu pracy można wydzielić cztery przedziały czasu, którym można przypisać schematy zastępcze tak jak przedstawiono na rys. 6.5.a. Obwód wyjściowy z uwagi na dużą indukcyjność filtrującą L F jest zastąpiony przez źródło prądu (i o ) Rys.6.5. Schematy zastępcze występujące w cyklu pracy przekształtnika z rys. 6.4 (a), przebiegi charakterystyczne dla układu z łącznikiem typu A (b) i przebiegi w układzie z łącznikiem typu B ( c) Przekształtnik o przełączaniu przy zerowym prądzie (ZCS) kładem o cechach dualnych w stosunku do rozpatrzonego powyżej jest układ wg. rysunku 6.6. I w tym przypadku możliwe są dwa tryby pracy układu w zależności od tego czy łącznik sterowany jest w stanie przewodzić prąd tylko w
jednym kierunku (przypadek A) czy też w obydwu kierunkach (przypadek B). (!!Przeciwna konwencja do tej, która była przyjęta w przekształtniku ZVS). Rys.6.6. kład przekształtnika ZCS (możliwe dwa typy łącznika S: A łącznik o dwukierunkowym napięciu, B- łącznik o jednokierunkowym napięciu i dwukierunkowym prądzie) Odpowiednie przebiegi dla obu przypadków (Ai B) wraz z charakterystycznymi przedziałami i przypisanymi im schematami zastępczymi podano na rys 6.7. Rys.6.7. Schematy zastępcze występujące w cyklu pracy (a), przebiegi charakterystyczne dla układu z łącznikiem typu A (b) i przebiegi w układzie z łącznikiem typu B ( c) Dla obydwóch przedstawione powyżej układów, z uwagi na zastosowanie obwodów rezonansowych (oscylacyjnych) LC, które narzuca czas trwania impulsu, jako jedyną możliwość sterowania należy uznać sterowanie poprzez zmianę częstotliwości. Odpowiednie charakterystyki przedstawiające zależność napięcia wyjściowego od stosunku częstotliwości łączeń f S do częstotliwości rezonansowej f r przedstawiono na rys. 6.8. Częstotliwość rezonansowa jest w tym przypadku jest zdefiniowana jako:
f r 1 2 L C a parametr A {A1..A4} określa wartość obciążenia A r / C L o r r r r Rys.6.8. Charakterystyki sterowania przekształtnika - zależność napięcia wyjściowego w funkcji częstotliwości łączeń: a)charakterystyka dla układu wg rys. 6.4. (ZVS)( B- łącznik typu B, A1=0.1, A2=0.2, A3=0.3); b) charakterystyka dla układu wg rys. 6.6. (ZCS)( B- łącznik typu B, A1=1, A2=2, A3=5,A4=10) Problem: Dlaczego układy z obwodami oscylacyjnymi LC zapewniające przełączanie przy niewielkich stratach znajdują zastosowanie głównie przy wysokich częstotliwościach? Problem: Na czym polega dualizm obwodów przedstawionych na rysunkach 6.4 i 6.6 Transformatorowe przekształtniki prądu stałego. [L6: 304-319, L1:273-287] Istnieje szereg zastosowań, w których z uwagi na znaczne różnice napięć źródła zasilania i odbiornika, (czemu odpowiada znacząca różnica prądów wejściowych i wyjściowych przekształtnika) jest niezbędne zastosowanie transformatora dopasowującego. Niekiedy transformator może być niezbędny ze względu na wymóg izolacji galwanicznej obwodów. Wysoka częstotliwość pracy transformatorów zapewnia zmniejszenie ich wymiarów i wagi urządzeń przekształcających. Z uwagi na to, że dla transformatorów z rdzeniem ferromagnetycznym niedopuszczalne jest napięcie ze składową stałą różną od zerową występuje potrzeba stosowania specyficznych rozwiązań, w których zapewnione będzie rozmagnesowanie rdzenia tak by punkt pracy nigdy nie przesuną się za kolano krzywej magnesowania. Istota współpracy przekształtników impulsowych napięcia i prądu stałego z transformatorem zostanie przedstawiona na przykładzie prostego układu współbieżnego przekształtnika (przetwornica jednotaktowa, forward converter ) wg.
schematu z rys. 6.9. Posłużą do tego przebiegi prądów i napięć zamieszczone na tym samym rysunku. Rys.6.9. Przekształtnik transformatorowy: a schemat, b) przebiegi ilustrujące funkcjonowanie układu W czasie trwania impulsu, gdy przewodzi tranzystor T1 na uzwojeniu pierwotnym występuje napięcie d. Pod jego wpływem narasta składowa magnesująca prądu uzwojenia pierwotnego - i. Jednocześnie na uzwojeniu wtórnym występuje napięcie dodatnie, przepływa prąd i 2 i energia jest dostarczany do obwodu odbiornika. Po wyłączeniu tranzystora składowa prądu magnesującego podtrzymywana energią magnetyczną zgromadzoną w rdzeniu zamyka się przez diodę D1 i kondensator naładowany do napięcia cp. Warunkiem zmniejszania się prądu magnesującego jest aby cp > d. Jeżeli czas załączenia jest równy t on to uwzględniając warunek wartości średniej napięcia na uzwojeniu pierwotnym 1( AV ) Dd (1 D)( Cp d ) 0 można wyznaczyć niezbędną wartość napięcia cp, przy której w końcu cyklu T s prąd magnesujący zmaleje do zera Cp d 1 D max W rozpatrywanym przykładzie kondensator jest ładowany do napięcia cp kosztem energii zwracanej z rdzenia, przy czym ograniczenie napięcia uzyskuje się dobierając rezystor umożliwiający rozładowanie kondensatora do źródła d. Problem: Od czego zależy i jak wyznaczyć wartość energii, która zwracana jest z transformatora do obwodu kondensatora i jak obliczyć konieczną wartość rezystancji dla rozładowania kondensatora pomocniczego?
kład z dodatkowym źródłem w postaci pomocniczego kondensatora z rezystorem jest dosyć niepraktyczny z uwagi na straty. Rozwiązaniem innego rodzaju jest układ przedstawiony na rys. 6.10. Zastosowanie dodatkowego uzwojenia N3 z włączoną szeregowo diodą tak by uniemożliwić przepływ prądu pod wpływem napięcia d umożliwia rozmagnesowanie rdzenia w przedziale czasu, gdy tranzystor jest wyłączony. Konieczne jest przy tym zastosowanie odpowiedniej przekładni zwojowej - N3/N1. Decyduje w tym przypadku maksymalny przewidywany współczynnik wypełnienia D max. Nie trudno wykazać, że musi obowiązywać relacja N3 D N1 1 D Należy zauważyć, że gdy przewodzi dioda na tranzystorze występuje napięcie T d ( 1 N1 N3) natomiast gdy przewodzi tranzystor na diodzie występuje napięcie ( 1 N3 N1). D d Problem: Dlaczego indukcyjność rozproszenia wynikająca z niedoskonałego sprzężenia pomiędzy uzwojeniami N1 in2 w przekształtniku z transformatorem o dodatkowym uzwojeniu rozmagnesowującym powinna być możliwie mała? W modyfikacja tego układu dodatkowe uzwojenie może być dołączone do obwodu wyjściowego pod warunkiem, że układ jest zawsze dostatecznie obciążony. max max Rys. 6.10. Przekształtniki transformatorowe: przekształtnik współbieżny z dodatkowym uzwojeniem magnesującym (a) i przekształtnik dwutaktowy typu fly back z przekazaniem energii magnetycznej rdzenia do odbiornika (b) Inną koncepcję przekazywania energii za pośrednictwem transformatora prezentuje układ przekształtnika powrotnego (dwutaktowego, fly-back), w którym zamiana początku i końca uzwojenia wtórnego (względem diody prostowniczej na wyjściu) pozwala na zwrot energii magnetycznej rdzenia do obwodu odbiornika. W czasie, gdy tranzystor przewodzi napięcie na wyjściu ma taką polaryzację, że
dioda jest w stanie zaworowym. Prąd w uzwojeniu pierwotnym narasta zwiększając energię obwodu magnetycznego. Wyłączenie tranzystora powoduje przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym i przekazanie energii magnetycznej do obwodu odbiornika. Warunek równowagi obwodu magnetycznego dla określonego względnego czasu przewodzenia tranzystora D prowadzi do wzoru na napięcie wyjściowe średnie. N2 D o d N1 1 D Przekształtnik powrotny z uwagi na prostotę jest dosyć często stosowany w impulsowych zasilaczach małej mocy. Jeżeli maksymalna wartość współczynnika D zostanie ograniczona do 0,5 to warunek pełnego rozmagnesowywania rdzenia jest uzyskiwany niejako samoczynnie przy zastosowaniu układu wg rys. 6.11.a. Impuls dodatniego napięcia jest doprowadzany do uzwojenia pierwotnego przy przewodzących tranzystorach T1 i T2. Po ich wyłączeniu prąd magnesujący zamyka się przez diody D1 i D2 a ujemne napięcie bliskie d na uzwojeniu pierwotnym powoduje zmniejszenie tego prądu do zera przed następnym cyklem. Aby uzyskać rozszerzenie zakresu sterowania impulsami wyjściowymi zasilacza do D max =1 można zastosować równoległe połączenie dwóch przekształtników tego typu jak na rys. 6.11.b. Konieczne jest przy tym przesunięcie fazowe cykli obu przekształtników względem siebie o kąt odpowiadający połowie okresu impulsowania. Dodatkowym efektem tego rodzaju zabiegu jest podwojenie częstotliwości impulsów wyjściowych względem częstotliwości łączeń każdego z współpracujących przekształtników. Rys.6.11. Schemat przekształtnika współbieżnego umożliwiającego rozmagnesowanie rdzenia przy współczynniku D<0,5- (a) oraz równolegle współpracujące przekształtniki o zdwojonej częstotliwości impulsów wyjściowych. Przekształtniki napięcia stałego z pośrednim obwodem napięcia przemiennego ( DC/AC/DC). Najkorzystniejsze warunki pracy transformatora pośredniczącego w przekazywaniu energii z jednego obwodu napięcia stałego do innego uzyskuje się w przypadku symetrycznej fali napięcia przemiennego. Stąd koncepcja przetworzenia
napięcia stałego w napięcie przemienne średniej częstotliwości (zwykle powyżej 20 khz) a następnie wyprostowaniu napięcia i prądu po stronie wtórnej transformatora. Przykładem takiego rozwiązania jest układ z rys.6.12. a. Po jednej stronie transformatora występuje falownik natomiast po drugiej prostownik. Jeżeli dwa ramiona falownika są sterowane z przesunięciem fazowym (patrz W7) to możliwe jest regulowanie napięcia po stronie wtórnej na wyjściu prostownika. Obecność po stronie wtórnej prostownika niesterowanego wyklucza możliwość przekazywania energii w dwie strony. Podobne rozwiązanie z zastosowaniem trójfazowych: falownika i prostownika w zasadzie nie jest dostosowane do regulacji napięcia a jedynie do przekazywania jednokierunkowego energii z dopasowaniem napięć za pomocą przekładni transformatora Rys. 6.12. Przekształtniki do jednokierunkowego przekazywania energii pomiędzy dwoma obwodami napięcia stałego za pośrednictwem transformatorowego obwodu pośredniego napięcia przemiennego: układ jednofazowy z pojedynczym aktywnym mostkiem (a), układ z mostkiem trójfazowym Problem: Jak zrealizować sterowanie tranzystorów obu gałęzi mostka tak, by na uzwojeniu pierwotnym transformatora powstała fala napięcia o kontrolowanym wypełnieniu półfali i aby uzyskać sterowanie wartości średniej napięcia na wyjściu prostownika? 6.13. kłady podwójnych mostków aktywnych o dwukierunkowym przepływie energii Rozwiązaniem, które umożliwia dwukierunkowe przekazywanie energii jest zestaw dwóch mostków aktywnych (sterowanych) Dual Active Bridge - DAB. Jeżeli napięcia po obu stronach z uwzględnieniem przekładni transformatora są
równe i nie występuje przesunięcie fazowe fal napięcia wytwarzanych przez oba falowniki układ jest w równowadze i energia nie przepływa. Wprowadzenie przesunięcia fazowego powoduje przepływ energii w kierunku zależnym od znaku fazy. Warunkiem poprawnej pracy układu jest dostateczna dla wybranej częstotliwości łączeń reaktancja rozproszenia transformatora. Problem: Jak wyglądają orientacyjne przebiegi prądu w uzwojeniach transformatora i w obwodzie napięcia stałego w przypadku, gdy przesunięcie fazowe pomiędzy falami napięcia obu falowników wynosi 30 el a napięcia sprzęganych źródeł z uwzględnieniem przekładni transformatora są równe Problem: Jak wyglądają podobne jak w poprzednim przypadku przebiegi, gdy kąt przesunięcia fal napięcia jest równy - 30 el Problem: Jak wyglądają orientacyjne przebiegi napięcia i prądu w układzie DAB, przy braku przesunięcia fazowego, ale gdy występuje różnica w napięciach sprowadzonych?