Impulsowy konwerter napięcia stałego z transformatorem układ przeciwbieżny (zaporowy) - flyback converter 26 03 1013, wersja 1.1 Maciej Radtke m.radtke@elka.pw.edu.pl Uwaga: przed przeczytaniem tego dziełka należy koniecznie zapoznać się z opracowaniem na temat beztransformatorowego konwertera obniżającego napięcie. 1. Dlaczego stosuje się transformator Najprostsze beztransformatorowe konwertery napięcia mają co prawda bardzo prostą budowę, jednak mają też kilka poważnych wad: - nie umożliwiają całkowitego galwanicznego oddzielenia obwodu wejściowego (napięcia przetwarzanego) od obwodu wyjściowego. Przy realizacji zasilacza zasilanego bezpośrednio z sieci energetycznej, bez transformatora sieciowego, taka sytuacja jest najczęściej niedopuszczalna ze względów bezpieczeństwa; - w zależności od konstrukcji mogą obniżać napięcie wejściowe albo je podwyższać. Nie da się zbudować układu konwertera bez transformatora, który - tylko poprzez regulację współczynnika wypełnienia impulsów sterujących - mógłby wytwarzać na wyjściu zarówno napięcie obniżone, jak i podwyższone; - uzyskanie napięcia dużo niższego (albo dużo wyższego) od wejściowego jest w układach beztransformatorowych trudne, ponieważ wymaga zastosowania bardzo małego współczynnika wypełnienia. Jednak z powodu ograniczonej szybkości przełączania kluczy (czyli tranzystorów, bardzo często o dużych dopuszczalnych prądach i dużej dopuszczalnej mocy rozpraszanej), ich włączanie na bardzo krótki czas nie jest możliwe; - w przypadku beztransformatorowego konwertera obniżającego napięcie żadna z elektrod tranzystora przełączającego nie jest dołączona do masy. To wyraźnie komplikuje obwód sterowania tranzystorem. Wszystkich wymienionych wad mogą być pozbawione konwertery, w których zamiast pojedynczej cewki zastosowano transformator impulsowy. Jednak trzeba sobie zdawać sprawę z tego, że układy z transformatorem mają dużo bardziej skomplikowaną budowę, a i sam transformator nie jest elementem łatwym do wykonania. Jako że musi on być przystosowany do pracy impulsowej, a w dodatku najczęściej przy dużych prądach i kilohercowych częstotliwościach, jego projektowanie jest o wiele bardziej skomplikowane niż projektowanie zwykłego transformatora sieciowego 1. 1 W transformatorach używanych w impulsowych konwerterach napięcia występuje np. zjawisko naskórkowości - prąd o dużej częstotliwości nie płynie przez cały przekrój drutu, z którego jest wykonane uzwojenie. Powoduje to wyraźne zwiększenie rezystancji uzwojenia i tym samym zwiększane strat. Uzwojenia nawija się więc często kilkoma równoległymi przewodami, wzajemnie od siebie odizolowanymi.
2. Jak to działa Schemat transformatorowego konwertera przeciwbieżnego jest pokazany na rys. 1. Klucz K jest włączany na czas δt (T = 1/f, gdzie f - częstotliwość przełączania klucza). L to indukcyjność uzwojenia pierwotnego transformatora, a p - jego przekładnia zwojowa 2. Rys. 1 - schemat transformatorowego konwertera przeciwbieżnego. Kropki przy transformatorze oznaczają tzw. początki uzwojeń. Pokazują one potrzebny kierunek przepływu prądów w każdym z uzwojeń, jeśli w rdzeniu transformatora mają one wywołać tak samo skierowane pole magnetyczne. Wyjaśnia to na rys. 2. Rys. 2 - oznaczanie kierunków uzwojeń transformatora. Na rys. 3 pokazano napięcia i prądy w konwerterze w obu fazach jego pracy. Przy analizie działania konwertera założymy, że w układzie panuje stan ustalony (napięcie na wyjściu ustabilizowało się po włączeniu zasilania układu i wynosi U O ) oraz że pojemność kondensatora C jest bardzo duża, napięcie przewodzenia diody U F 0, a klucz K jest idealny. Rys. 3 - fazy pracy konwertera. a) - klucz K zamknięty; b) - klucz K otwarty. 2 w niniejszym opracowaniu p = n 1 / n 2, gdzie n 1 i n 2 to liczby zwojów, odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego. W literaturze można też spotkać odwrotne oznaczenie przekładni: p = n 2 / n 1.
Faza 1 (rys. 3a) - włączony klucz K: Włączenie (zamknięcie) klucza K sprawia, że do uzwojenia pierwotnego transformatora zostaje przyłożone napięcie U I. Prąd w tym uzwojeniu narasta więc liniowo, powodując zwiększanie natężenia pola magnetycznego w rdzeniu transformatora. Napięcie U I transformuje się do uzwojenia wtórnego w stosunku p:1, ale jednocześnie zostaje "przekręcone" (uwaga na kropki przy uzwojeniach!) i powoduje wsteczne spolaryzowanie diody D. Przez spolaryzowaną zaporowo diodę nie płynie prąd, skutkiem czego uzwojenie wtórne "wisi w powietrzu". Obciążenie R O korzysta więc wyłącznie z energii zgromadzonej w kondensatorze C. Jednocześnie w tym czasie w rdzeniu transformatora, w postaci pola magnetycznego, gromadzi się energia. Zostanie ona wykorzystana w drugiej fazie pracy konwertera. W tym miejscu warto się przyjrzeć wartościom napięć, jakie w tej fazie występują na poszczególnych elementach układu: - napięcie na kluczu K jest niewielkie (jest to napięcie nasycenia tranzystora bipolarnego albo spadek napięcia pomiędzy źródłem a drenem włączonego tranzystora unipolarnego), - napięcie przyłożone do uzwojenia pierwotnego transformatora jest bliskie U I, - napięcie na zaciskach uzwojenia wtórnego to U I /p, - napięcie (wsteczne) na diodzie D jest równe U I /p + U O - jest wyższe niż U O. Faza 2 (rys. 3b) - wyłączony klucz K: W chwili wyłączenia (otwarcia) klucza K przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne transformatora zostaje przerwany. W rdzeniu jest jednak zgromadzona energia pola magnetycznego, która nie może nagle zniknąć. Wywołuje ona przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym (początki uzwojeń są oznaczone "po przekątnej", więc temu samemu kierunkowi pola magnetycznego odpowiadają przeciwne kierunki przepływu prądu) i tym samym wprowadzenie diody D w stan przewodzenia. Przez diodę przepływa więc prąd, który zasila obciążenie oraz ładuje kondensator C i uzupełnia ubytek energii w nim zgromadzonej, powstały w poprzedniej fazie. Ten prąd stopniowo maleje, ponieważ po wyłączeniu klucza K maleje ilość energii zgromadzonej w rdzeniu transformatora. "Przelewa się" ona z rdzenia do obwodu wyjściowego, a jednocześnie do układu nie jest dostarczana żadna nowa energia ze źródła napięcia wejściowego U I. A oto rozkład napięć, pojawiających się w układzie w tej fazie: - dioda D przewodzi, więc napięcie na niej to U F, - na zaciskach uzwojenia wtórnego transformatora panuje napięcie U O (a dokładnie: U O + U F ), - napięcie z uzwojenia wtórnego transformatora zostaje przetransformowane do uzwojenia pierwotnego, więc na zaciskach uzwojenia pierwotnego pojawia się napięcie p U O, - i na koniec najważniejsze: napięcie na kluczu K jest sumą napięcia, które pojawiło się na uzwojeniu pierwotnym transformatora i napięcia U I co znaczy, że chwilowe napięcie na kluczu jest wyższe, niż napięcie na wejściu konwertera. W krańcowym przypadku może ono osiągnąć wartość nawet nieco ponad 2 U I i przy projektowaniu układów z transformatorem trzeba to koniecznie brać pod uwagę 3. 3 W zasilaczach impulsowych, bezpośrednio przetwarzających napięcie pobierane z sieci energetycznej 230V, należy stosować tranzystory o napięciu przebicia około 800 V lub więcej.
3. Co od czego zależy, jak i dlaczego Na rys. 4 zostały przedstawione przebiegi czasowe napięć i prądów w obu fazach pracy transformatorowego konwertera przeciwbieżnego. Rys. 4 - przebiegi czasowe napięć i prądów w konwerterze przeciwbieżnym. W chwili t = 0 zostaje włączony (zamknięty) klucz K. Do indukcyjności L zostaje więc przyłożone napięcie bardzo bliskie U I, co powoduje narastanie prądu zgodnie z zależnością: i L (t)=i L0 + U I L t (1) gdzie I L0 to początkowy prąd, jaki płynął w uzwojeniu pierwotnym w chwili włączenia klucza. Po czasie δt prąd w uzwojeniu pierwotnym jest więc równy: I LK =I L0 + U I L δ T (2) W chwili δt następuje wyłączenie klucza K i prąd uzwojenia pierwotnego transformatora zostaje "przełączony" do uzwojenia wtórnego oraz do diody D, jednak jednocześnie zostaje on przetransformowany przez przekładnię p 4 : I D0 = p I LK (3) a następnie zaczyna się liniowo zmniejszać, zgodnie z zależnością: i D (t)=i D0 U O L W t (4) w której L W jest indukcyjnością uzwojenia wtórnego transformatora. 4 Warto sobie tutaj przypomnieć jak "współpracują" indukcyjności sprzężone, czyli transformator!
Jako że indukcyjność cewki jest proporcjonalna do kwadratu liczby zwojów, łatwo zauważyć że: L W = L p 2 (5) W chwili T prąd diody osiąga wartość: I DK = p I L0 (6) (bo jeśli w układzie panuje stan ustalony, to na końcu całego taktu pracy konwertera następuje powrót do stanu początkowego - czyli do sytuacji takiej, jaka miała miejsce w chwili t = 0) Zestawienie powyższych zależności w układ równań i jego rozwiązanie pozostawia się czytelnikowi, na końcu otrzymuje się zależność wiążącą napięcie na wyjściu konwertera z U I : U O = U I p δ 1 δ (7) Widać, że napięcie wyjściowe zależy od dwóch parametrów: współczynnika wypełnienia impulsów sterujących kluczem oraz przekładni zwojowej transformatora. Dla wartości δ = 1/2 napięcie wyjściowe jest określone tylko przez przekładnię. Nietrudno zauważyć, że poprzez zmianę wartości współczynnika wypełnienia możliwa jest regulacja napięcia wyjściowego w szerokim zakresie, od napięcia wyjściowego niższego niż określone przez samą przekładnię, do napięcia podwyższonego. Możliwość wpływania na napięcie wyjściowe na dwa sposoby jest bardzo pożyteczna wtedy, kiedy występuje potrzeba uzyskania napięcia U O znacznie niższego (lub znacznie wyższego) od U I. Można wtedy tak dobrać przekładnię transformatora, by to głównie ona była odpowiedzialna za przełożenie napięć, a cały układ pracował przy korzystnym współczynniku δ 1/2. Jest wtedy możliwa jego precyzyjna regulacja, umożliwiająca dokładne ustawienie napięcia wyjściowego. Można też zbudować zasilacz impulsowy ze stabilizacją tego napięcia przy pomocy pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. 4. Niedociążenie transformatorowego konwertera przeciwbieżnego Jak każdy układ konwertera DC-DC, transformatorowy układ przeciwbieżny jest wrażliwy na niedociążenie. Konwerter pracuje poprawnie (wytwarza na swoim wyjściu napięcie U O określone zależnością 7) tylko wtedy, kiedy z wyjścia jest pobierany prąd I O większy od pewnej określonej wartości, nazywanej prądem krytycznym I OKR. Jeśli I O < I OKR, napięcie na wyjściu jest wyższe niż U O i, co jest szczególnie nieprzyjemną cechą omawianego typu konwertera, przy prądzie I O = 0 teoretycznie rośnie do nieskończoności. Teoretycznie, bo zanim zdoła ono osiągnąć wyraźnie podwyższoną wartość, konwerter na ogół ulega uszkodzeniu. Powodem jest najczęściej opisany wcześniej efekt "wtransformowywania się" napięcia wyjściowego na stronę pierwotną transformatora, co powoduje zwiększanie się napięcia odkładanego na wyłączonym kluczu i w rezultacie jego przebicie 5. Jest to szczególnie groźne w układach sieciowych, w których zapas napięcia przebicia tranzystora kluczującego ponad rzeczywiste napięcia występujące w układzie bywa najczęściej niewielki. Przeciwbieżny konwerter transformatorowy musi więc być koniecznie zabezpieczany przed skutkami zmniejszenia prądu I O poniżej wartości I OKR. Poniżej zostanie pokazany sposób obliczenia prądu krytycznego I OKR. 5 Czasem przebiciu ulega nie tranzystor po stronie pierwotnej, a izolacja (emalia) pomiędzy sąsiadującymi zwojami w uzwojeniu. Należy pamiętać, że wytrzymałość napięciowa tej izolacji jest na ogół niewielka (kilkadziesiąt V).
Tak samo, jak w konwerterach beztransformatorowych, wejście w zakres obciążeń podkrytycznych następuje wtedy, kiedy przebieg czasowy prądu cewki (a więc także diody i klucza) "dotknie" osi poziomej - czyli na bardzo krótką chwilę spadnie do zera. Na rys. 5 został pokazany przebieg czasowy prądu diody D i klucza K dla dwóch różnych prądów obciążenia, w tym dla I O = I OKR. Rys. 5 - przebiegi prądu w diodzie i kluczu dla I O > I OKR i I O = I OKR Korzystając z obrazka i równań (1) - (6) można zapisać następujące zależności: I KK = U I L δ T (8) I DP = p I KK I DP = U O L W (T δ T ) (10) oraz dołożyć do tego (7): U O = U I p δ 1 δ Oczywiście średni prąd płynący przez diodę jest równy prądowi pobieranemu z konwertera do obciążenia: (9) I O =I DŚR (11) a więc: I OKR = 1 2 I DP T δt T = 1 2 I DP (1 δ) (12)
Po wykonaniu kilku przekształceń otrzymuje się następującą zależność: I OKR =U I p δ(1 δ) 2fL (13) Tak samo jak w innych konwerterach prąd I OKR jest tym mniejszy, im wyższa jest częstotliwość przełączania klucza f i im większa jest indukcyjność L (w tym wypadku jest to indukcyjność uzwojenia pierwotnego transformatora). 5. Ideałów nie ma, czyli co się dzieje w rzeczywistym układzie A. Indukcyjność rozproszenia Największe problemy w transformatorowych konwerterach napięcia sprawia... transformator. W dotychczasowych rozważaniach zostało uczynione domyślne założenie, że sprzężenie pomiędzy uzwojeniami transformatora jest pełne (m = 1), czyli że transformator jest idealny. W rzeczywistości tak nie jest. Rys. 6a wyjaśnia, co oznacza niepełne sprzężenie uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Rys. 6 - a) transformator z indukcyjnością rozproszenia; b) przebieg napięcia na kluczu K. Indukcyjność pierwotnego uzwojenia nieidealnego transformatora można postrzegać tak, jakby składała się z dwóch części: indukcyjności głównej L G, idealnie sprzężonej z uzwojeniem wtórnym, i z tzw. indukcyjności rozproszenia L R, reprezentującej tę część całkowitej indukcyjności L, która nie jest sprzężona z niczym. Konsekwencje istnienia indukcyjności L R są łatwe do zrozumienia jeśli się przeanalizuje zjawiska, które występują w chwili wyłączenia (rozwarcia) klucza K. W chwili wyłączenia klucza energia pola magnetycznego, zgromadzonego w indukcyjności głównej L G, oddziałuje na uzwojenie wtórne (L W ) i wywołuje w nim przepływ prądu, który umożliwia rozładowywanie energii z rdzenia cewki. Inaczej się dzieje w nie sprzężonej z niczym indukcyjności L R, w której też przecież została zgromadzona pewna porcja energii. Ta energia nie ma się gdzie rozładować i - jak to w cewce - "próbuje" utrzymać w niej ciągłość prądu. Objawia się to gwałtownym wzrostem napięcia na kluczu w chwili jego wyłączenia, co może spowodować przebicie i uszkodzenie zastosowanego elementu 6. Na przebiegu napięcia na kluczu pojawia się dodatkowa "szpilka" napięciowa, która - jeśli nie zostaną zastosowane specjalne zabezpieczenia - może sięgać napięć dużo wyższych, niż wcześniej wspomniane napięcie U K = U I + p U O (maksymalnie 2 U I ). Zostało to pokazane na rys. 6b. Aby uchronić klucz przed zniszczeniem, w rzeczywistych układach konwerterów z transformatorem stosuje się specjalne układy, których zadaniem jest przejęcie energii z indukcyjności rozproszenia i "zgaszenie" (stąd ich zwyczajowa nazwa: "gasiki") wspomnianego 6 Teoretycznie, gdyby indukcyjność L R była idealna (bezstratna), nastąpiłby wzrost napięcia do nieskończoności, w rzeczywistości aż tak źle nie jest.
przepięcia. Sposobów realizacji układów gaszących jest sporo, poniżej - na rys. 7 - przedstawiono jeden z nich. Rys. 7 - przykład realizacji układu gaszącego. Dioda D G musi być diodą o dużej szybkości przełączania i napięciu przebicia wyższym niż napięcie U I. Powstające w chwili wyłączania klucza przepięcie powoduje gwałtowny wzrost potencjału na anodzie diody, jej gwałtowne włączenie i przepływ impulsu prądu (energii) z indukcyjności L R do kondensatora C. W ten sposób niebezpieczny dla klucza impuls napięciowy zostaje "rozmyty" w czasie, a jego amplituda wydatnie zmniejszona. W przerwie pomiędzy kolejnymi impulsami kondensator rozładowuje się do źródła napięcia wejściowego, a więc na katodzie diody D G panuje napięcie U I (lub nieco wyższe), dzięki czemu dioda - w oczekiwaniu na kolejne przepięcie - pozostaje wyłączona. B. Oscylacje W rzeczywistym układzie przebiegi czasowe napięć i prądów rzadko wyglądają dokładnie tak, jak na rys. 4. Bardzo często pojawiają się na nich dodatkowe oscylacje. Jest to najbardziej widoczne wtedy, kiedy układ jest obciążony prądem mniejszym od prądu krytycznego 7. Pokazano to na rys. 8. Rys. 8 - zjawiska przy obciążeniu podkrytycznym. a) przebiegi napięć i prądów; b) schemat Niezależnie od typu impulsowego konwertera napięcia stałego, skutek obciążenia go prądem mniejszym od I OKR jest taki sam - przerwanie ciągłości prądu w cewce (lub w obu cewkach sprzężonych). Na rys. 8a widać to w chwili t 1, w której prąd w uzwojeniu wtórnym, a więc i w diodzie, maleje do zera, a jednocześnie nie płynie prąd w uzwojeniu pierwotnym - bo jeszcze nie 7 Nawet jeśli zostaną zastosowane zabezpieczenia przed wzrostem napięcia wyjściowego w tej sytuacji (np. zmniejszanie współczynnika wypełnienia impulsów sterujących kluczem), zjawiska występujące "wewnątrz" konwertera wyglądają podobnie.
został włączony klucz. Rys. 8b pokazuje schemat układu w takiej sytuacji. Uzwojenia transformatora "wiszą w powietrzu", napięcie U O nie transformuje się na stronę pierwotną transformatora, więc napięcie na kluczu K powinno się obniżyć do wartości U I. Tak się dzieje, ale w sposób oscylacyjny, bo indukcyjności uzwojeń wraz z występującymi wokół nich pojemnościami (pojemnością międzyzwojową, pojemnościami montażowymi, pojemnościami klucza i diody itp.) tworzą obwód rezonansowy LC, a w pojemnościach jest zgromadzone nieco energii. Szybkość wygasania tych drgań zależy od ilości tej energii i od dobroci obwodu rezonansowego. Mogą one wygasnąć jeszcze przed ponownym włączeniem klucza K, ale zdarza się też tak, że w czasie t 1 T ich amplituda prawie się nie zmienia. C. Nasycanie się rdzenia transformatora To zjawisko zostało dokładnie opisane w opracowaniu dotyczącym konwertera beztransformatorowego obniżającego napięcie, w układzie z transformatorem obserwowane zjawiska wyglądają podobnie. 6. Zasilacz impulsowy ze stabilizacją napięcia wyjściowego Transformatorowy konwerter napięcia bardzo często jest fragmentem większego układu - stabilizowanego zasilacza impulsowego. Podobnie jak ma to miejsce w stabilizatorach o pracy ciągłej, do stabilizacji napięcia U O jest używana pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego. W stabilizatorach impulsowych wykorzystuje się zależność napięcia wyjściowego od współczynnika wypełnienia impulsów włączających klucz K, więc zadaniem pętli jest ciągła regulacja tego współczynnika i korygowanie go w taki sposób, by napięcie U O pozostawało stałe mimo zmian prądu obciążenia I O i ewentualnej niestałości napięcia U I. Musi się to odbywać na zasadzie "większe napięcie na wyjściu konwertera -> mniejszy współczynnik wypełnienia". Opisaną zasadę działania stabilizowanego zasilacza impulsowego ilustruje rys. 9. Rys. 9 - stabilizowany zasilacz impulsowy. Na rys. 10 pokazano typowy sposób realizacji układu sterującego, którego zadaniem jest regulacja współczynnika wypełnienia w zależności od wartości doprowadzonego do niego napięcia wyjściowego. Impulsy włączające klucz wytwarza komparator, do którego wejść są doprowadzane dwa sygnały: a) napięcie (lub jego część), pobrane z wyjścia konwertera, b) sygnał piłokształtny z generatora, o stałej częstotliwości f. Na wyjściu komparatora jest otrzymywany sygnał prostokątny o częstotliwości f i współczynniku wypełnienia tym mniejszym, im napięcie na wejściu odwracającym komparatora jest wyższe 8. 8 Bardzo poplularnym układem, spełniającym opisane funkcje, jest układ scalony TL494. Zawiera on generator przebiegu piłokształtnego, komparator, układ wyjściowy przystosowany zarówno do sterowania tranzystorów bipolarnych jak iunipolarnych, a także układy dodatkowe (np. zabezpieczające przed przeciążeniem zasilacza).
Rys. 10 - schemat blokowy układu sterującego impulsowym stabilizatorem napięcia. Dodatkową korzyścią, jaką uzyskuje się, budując zasilacz impulsowy z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego, jest możliwość jego poprawnego działania (czyli utrzymywania założonego napięcia U O ) przy obciążeniu go prądem I O < I OKR. Zwiększanie się napięcia U O, spowodowane niedociążeniem wyjścia, zostaje skompensowane zmniejszeniem współczynnika wypełnienia δ. Ograniczeniem jest wtedy najmniejsza wartość δ, jaką daje się uzyskać w konkretnym układzie i to ona określa najmniejszy prąd, jaki da się odebrać z wyjścia zasilacza bez wzrostu napięcia U O powyżej założonej wartości. Jeśli współczynnik wypełnienia może być zredukowany do bardzo małej wartości, to ten prąd jest bardzo niewielki i w takiej sytuacji najczęściej po prostu stosuje się wstępne obciążenie stabilizatora poprzez wmontowanie na jego wyjściu opornika.