Rezonansowy przekształtnik DC/DC z nasycającym się dławikiem

Piotr DROZDOWSKI, Witold MAZGAJ, Zbigniew SZULAR Politechnika Krakowska, Instytut Elektromechanicznych Przemian Energii Rezonansowy przekształtnik DC/DC z nasycającym się dławikiem Streszczenie. Łagodne przetaczanie elementów półprzewodnikowych ma istotne znaczenie w układach energoelektronicznych średniej i dużej mocy pracujących z częstotliwościami od około "IkHz wzwyż. W artykule omówiono działanie rezonansowego przekształtnika DC/DC ze wspomaganiem przełączania elementów. Jego zaletą jest prosta konstrukcja oparta na jednym elemencie przełączającym, podczas gdy istniejące rozwiązania z reguły wykorzystują dwa łączniki. Przedstawiono poglądowe przebiegi napięć i prądów podano zasady doboru elementów tego układu. Analizę teoretyczną zilustrowano oscylogramami wybranych napięć i prądów. Abstract. (Resonant DC/DC converter with saturable inductor. The soft switching of semiconductor elements is important in power eiectronic systems, which work with frequencies higher than 1 khz. In the paper the work of the DC chopper with soft switching is described. This system has only one semiconductor switch, whereas in the other resonant DC/DC converters two switches are used very often. The simplified waveforms of yoltages and currents are shown and the principle of elements selection is also given. The theoretical analysis was illustrated with chosen transients of the lab device. Słowa kluczowe: łącznik sterowany, przekształtnik DC/DC, przekształtnik rezonansowy, łagodne przełączanie. Keywords: DC/DC converter, saturable incuctor. Wprowadzenie Przekształtniki napięcia stałego na napięcie stałe budowane są jako układy ze sprzężeniem transformatorowym źródła zasilania z odbiornikiem [1,2,3] lub jako układy z galwanicznym połączeniem obu tych elementów [4,5,6,7]. Moce układów pierwszej grupy nie przekraczają kilkunastu kw, dlatego też do zasilania odbiorników średniej i dużej mocy stosuje się układy drugiej grupy. Układy te budowane są najczęściej na bazie pojedynczego łącznika energoelektronicznego, którym jest tranzystor mocy lub tyrystor wyłączalny. W łączniku powstają straty mocy, które można podzielić na dwie grupy. Pierwszą stanowią straty mocy przewodzenia zależne od spadku napięcia na przewodzącym łączniku od wartości prądu płynącego przez łącznik. Drugą grupę stanowią tzw. straty mocy przełączania związane ze skończonymi wartościami czasu załączania i wyłączania łącznika. Straty te rosną wraz z częstotliwością pracy i są przyczyną wzrostu temperatury struktury półprzewodnikowej łącznika. W celu ograniczenia strat mocy przełączania stosuje się odciążające obwody rezonansowe umożliwiające zmianę stanu pracy łącznika przy zerowym napięciu lub zerowym prądzie. Rezonansowe obwody wspomagające przełączanie mogą być typu biernego lub czynnego. W pierwszym przypadku przedział czasu przewodzenia lub nieprzewodzenia łącznika jest zdeterminowany czasem trwania odpowiednich procesów rezonansowych [6,7]. W układach wspomagających przełączanie typu czynnego [5,6] stosuje się dodatkowy łącznik, umożliwiający rozpoczęcie procesów rezonansowych w odpowiedniej chwili. Jego obciążalność prądowa jest porównywalna z obciążalnością łącznika głównego. Dodatkowy łącznik musi być także zabezpieczony przed przepięciami, co prowadzi do rozbudowy przekształtnika. W [4] autorzy przedstawili dwutranzystorowy, rezonansowy przekształtnik DC/DC posiadający kilka zalet w odniesieniu do innych układów tego typu. W niniejszym artykule zaprezentowano prostszy układ impulsowej regulacji napięcia stałego ze wspomaganiem przełączania, przy czym do jego budowy wykorzystano tylko jeden łącznik półprzewodnikowy. Rozpoczęcie odpowiednich procesów rezonansowych rozpoczyna się z chwilą załączenia lub wyłączenia łącznika. Zastosowanie nieliniowego dławika indukcyjnego prowadzi do istotnego skrócenia czasu trwania procesów przejściowych. W zaproponowanym układzie nie jest konieczne dodatkowe zabezpieczenie łącznika przed przepięciami, gdyż rolę ochronną spełnia kondensator obwodu rezonansowego. Układ przekształtnika rezonansowego Opracowany przez autorów układ rezonansowego przekształtnika napięcia stałego na napięcie stałe ze wspomaganiem przełączania przedstawiono na rysunku 1. Podstawowy układ regulacji impulsowej napięcia stałego został uzupełniony m. in. dwoma dławikami i kondensatorem. Zadaniem jest ograniczenie szybkości narastania prądu płynącego ze źródła zasilania podczas załączania łącznika T a zadaniem kondensatora C jest zmniejszenie szybkości narastania napięcia na łączniku w czasie jego wyłączania. Kondensator ten pełni również rolę zabezpieczenia łącznika przed przepięciami. Wartość indukcyjności dławika L a wpływa na amplitudę prądu rozładowania rezonansowego kondensatorem a tym samym na szybkość narastania tego prądu. Na rysunku 2 zostały przedstawione przykładowe przebiegi napięć i prądów ilustrujące pracę proponowanego przekształtnika DC/DC. Stała czasowa odbiornika była na tyle duża, że prąd odbiornika mógł być traktowany jako stały w czasie. U* A &-^ \H; -H- 2SD r C \D Rys.1. Schemat rezonansowego przekształtnika DC/DC z nieliniowym dławikiem; łącznik zastąpiono tranzystorem IGBT Analizę rozpoczęto od następującego stanu pracy: łącznik T nie przewodzi, prądy dławików są równe zeru, prąd odbiornika zamyka się przez diodę D 0, kondensator C naładowany jest do napięcia wyższego od napięcia źródła zasilania. W chwili // następuje załączenie łącznika T. Zaczyna narastać prąd płynący ze źródła zasilania. 782 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 7-8/2004

Rys. 2. Przebiegi napięć i prądów przekształtnika DC/DC w jednym cyklu prac rezonansowego Szybkość narastania tego prądu zależy od indukcyjności. Jednocześnie rozpoczyna się rezonansowe rozładowanie kondensatora. Prąd rozładowania płynie przez łącznik T, przewodzącą prąd odbiornika diodę D 0 przez szeregowo połączony dławik L a i diodę D a. Ponieważ prąd i prąd rozładowania kondensatora płyną przez diodę D 0 w kierunku przeciwnym niż prąd odbiornika, to prąd tej diody jest w tym czasie równy różnicy prądu odbiornika narastającego liniowo względem czasu prądu płynącego przez dławik L s i narastającego prądu rozładowania kondensatora. Takie przewodzenie diody D 0 występuje do momentu, w którym suma obu prądów osiągnie wartość prądu odbiornika. Prąd łącznika T jest sumą prądu l prądu rozładowania kondensatora. Oba prądy narastają stopniowo od zera. Właściwy dobór indukcyjności dławików zapewnia takie ograniczenie szybkości narastania prądu łącznika, że załączenie następuje przy prądzie bliskim zeru. Skutkiem tego w łączniku nie występują straty mocy podczas załączania. Pierwsza faza pracy przekształtnika kończy się w chwili? 2l w której prąd diody zerowej odbiornika maleje do zera a prąd tranzystora T równy jest prądowi odbiornika. Należy zwrócić uwagę, że początkowo prąd narasta stosunkowo wolno. Przy pewnej odpowiednio dobranej wartości prądu obwód magnetyczny tego dławika wchodzi w nasycenie, co powoduje szybsze narastanie prądu płynącego przez dławik i łącznik. Dzięki temu skróceniu ulega czas trwania procesów przejściowych rozpoczętych z chwilą załączania łącznika. Schemat przekształtnika z zaznaczonymi (pogrubionymi gałęziami, w których płyną prądy przedstawiono dla przedziału t,-t 2 na rysunku 3a. W przedziale t 2 -t 3 prąd łącznika jest równy prądowi odbiornika, prąd narasta a napięcie kondensatora maleje i osiąga wartość zero w chwili t 3 (schemat na rys. 3b. W niektórych przypadkach w chwili t 3 'przez dławik L może jeszcze płynąć prąd, co powoduje pojawienie się kolejnego przedziału t 3 -t 4 (schemat na rys. 3c. W przedziale tym prąd dławika L maleje do zera płynąc przez diodę D,, i odbiornik, natomiast prąd łącznika ulega chwilowemu zmniejszeniu. W przedziale t 4 -t s występuje ustalony stan przewodzenia przekształtnika (schemat na rys. 3d. W chwili? 5 następuje wyłączenie łącznika T przy rozładowanym kondensatorze. Przy odpowiednim doborze pojemności kondensatora napięcie na łączniku w czasie wyłączania będzie narastać stosunkowo wolno względem szybkości zanikania prądu łącznika. Proces zmiany stanu pracy będzie więc miał charakter przełączania przy zerowej wartości napięcia. Wskutek tego w łączniku nie będą a DS L s P^n rk k zs C _ U s BLOK STEROWANIA DI, 2 l 6 D s L s f D S L S Rys.3. Schematy zastępcze przekształtnika dla kolejnych przedziałów czasu: a /, - t z, b fe - f 3> c t 3-1 4, d Ł, - t s, e % - t s, f t s -1 7 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 7-8/2004 783

powstawać straty mocy w czasie jego wyłączania. Stały prąd odbiornika zamyka się w obwodzie złożonym ze źródła zasilania u s, diody D s,, kondensatora C i diody D b (schemat na rys. 3e. Napięcie kondensatora narasta liniowo względem czasu. W chwili t 6 napięcie kondensatora osiąga wartość napięcia źródła zasilania. W przedziale t 6 -t 7 (schemat na rys. 3f prąd maleje do zera, powodując pewien wzrost napięcia na kondensatorze powyżej napięcia źródła zasilania. Od chwili t 7 rozpoczyna się ustalony stan nieprzewodzenia, w którym prąd odbiornika zamyka się przez diodę D 0. W chwili t s następuje ponowne załączenie łącznika. T. Dobór elementów przekształtnika W celu zapewnienia prawidłowej pracy układu, polegającej na załączaniu łącznika przy zerowym prądzie i wyłączaniu przy zerowym napięciu niezbędny jest właściwy dobór indukcyjności dławików i pojemności kondensatora a także wartości prądu, przy którym obwód magnetyczny wchodzi w stan nasycenia. Przed wyznaczeniem powyższych wielkości należy określić: maksymalną wartość napięcia U Tm, jaka może się pojawić na łączniku w stanie nieprzewodzenia, wartość I To do jakiej może narosnąć prąd łącznika w czasie jego załączania (załączanie przy prądzie bliskim zeru, wartość u To ff do jakiej może narosnąć napięcie na łączniku w czasie jego wyłączania (wyłączanie przy napięciu na łączniku bliskim zeru. Ponadto konieczna jest znajomość czasu załączania /, czasu wyłączania łącznika t off, napięcia zasilania u s maksymalnej wartości prądu odbiornika /,. Podczas procesu wyłączania istotne jest, aby szybkość narastania napięcia na łączniku była znacznie mniejsza niż szybkość zanikania prądu. Gwarantuje to łagodny przebieg procesu wyłączania, a tym samym zmniejszenie strat mocy powstających przy zmianie stanu pracy łącznika. W początkowym okresie po wyłączeniu łącznika przez kondensator płynie stały prąd równy prądowi odbiornika, dlatego też napięcie na kondensatorze, a tym samym napięcie na łączniku narasta liniowo względem czasu. Pojemność kondensatora określona jest więc przez następującą zależność: ( 3 U Cm on d-ki Ton gdzie: U Cm - maksymalna wartość napięcia na kondensatorze. Maksymalna wartość u Cm napięcia na kondensatorze nie powinna być większa od założonej maksymalnej wartości napięcia V Tm, jaka może się pojawić na łączniku w stanie nieprzewodzenia. Po wyłączeniu łącznika przez kondensator płynie stały prąd równy wartości prądu odbiornika. Napięcie kondensatora narasta liniowo do momentu osiągnięcia wartości napięcia zasilania U s. Od tej chwili prąd płynący przez kondensator maleje a energia pola magnetycznego zamienia się na energię pola elektrycznego kondensatora. Dla tego stanu pracy przekształtnika można zapisać następującą zależność: (4 Ponieważ U Cm ^ U Tm, to wartość prądu nasycenia powinna spełniać warunek: (5 sat<j (U Tm -U s Układ wspomagający przełączanie pracuje poprawnie, jeśli kondensator rozładuje się zanim prąd osiągnie wartość prądu nasycenia. Dla praktycznych obliczeń można założyć, że czas rozładowania kondensatora wynosi: (6 Jeśli przyjąć, że prąd narasta do osiągnięcia prądu nasycenia l sal liniowo względem czasu: ( 7 (1 _ " ' to na podstawie (2, (6 i (7 można zapisać: W początkowej fazie po załączeniu łącznika T prąd płynący przez dławik L s narasta liniowo względem czasu (przewodzi dioda zerowa odbiornika. Indukcyjność tego dławika można wyznaczyć więc na podstawie wzoru: (2 kl Ton przy czym k określa zakładany udział prądu płynącego ze źródła zasilania w całkowitym prądzie łącznika T (prąd łącznika jest w tym czasie sumą prądu płynącego ze źródła prądu rozładowania kondensatora. Zadaniem dławika L a jest ograniczenie szybkości narastania prądu rezonansowego rozładowania kondensatora po załączeniu łącznika T. Okres drgań własnych obwodu C, L a jest w praktyce wielokrotnie większy od czasu t on załączania łącznika. Można więc założyć, że w czasie załączania łącznika prąd rozładowania kondensatora narasta liniowo od zera. Wówczas indukcyjność dławika L a wyznacza się na podstawie zależności: (8 1 M Ton Korzystając z zależności (2, (3, (4, (6 i (8 można wyprowadzić równanie wiążące wartość prądu nasycenia wartości współczynnika k: (9 2 _7^_ ICI Ton U s kjk *" 4 V t l-k - CI Ton U S k* t 1-k = 0 Zaproponowany przekształtnik rezonansowy napięcia stałego na napięcie stałe może pracować z dowolną wartością współczynnika wypełnienia z przedziału (O, 1. Jednakże dla małych wartości współczynnika wypełnienia lub dla wartości bliskich jeden przełączanie łącznika nie będzie następowało w sposób łagodny. Aby wyłączanie następowało bez powstawania strat mocy, to w 784 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 7-8/2004

czasie przewodzenia łącznika powinno nastąpić całkowite rozładowanie kondensatora. Jeśli założyć, że amplituda prądu rezonansowego rozładowania jest mniejsza od wartości prądu odbiornika, to minimalny czas t pmi przewodzenia łącznika nie powinien być krótszy od 1/4 okresu drgań własnych obwodu rezonansowego C, L a : (10 Aby proces załączania przebiegał bez powstawania strat mocy w łączniku, to prąd musi zmniejszyć się do zera w czasie nieprzewodzenia łącznika. Od momentu wyłączenia przez dławik L s i kondensator płynie stały prąd odbiornika a napięcie kondensatora narasta liniowo względem czasu do osiągnięcia wartości napięcia źródła zasilania U s. Od tej chwili prąd maleje do zera. Analityczne wyznaczenie czasu trwania tego procesu jest trudne ze względu na nieliniowość, dlatego przyjęto, że czas trwania tego procesu jest w przybliżeniu równy 1/4 okresu drgań własnych obwodu rezonansowego C, L s. Minimalny czas t min nieprzewodzenia łącznika określony jest zależnością: (11 W efekcie czas t p przewodzenia łącznika nie powinien być dłuższy od różnicy T, - t nmin, gdzie T t oznacza okres pracy impulsowej. Jeśli przyjąć ograniczenia dotyczące czasu przewodzenia łącznika, to zakres zmian współczynnika wypełnienia d określony jest zależnością: (12 2 T: < 8 < l Przykładowe obliczenia dotyczące zakresu zmian współczynnika wypełnienia wykonano dla takiego samego odbiornika jak dla rezonansowego przekształtnika DC/DC o strukturze symetrycznej [4]. Dane odbiornika wynosiły: t/i = 600 V, / om = 250A, t/p,, = 900V, l Ton = 25 A, U Toff = 30 V. Czasy załączania i wyłączania odpowiednio dobranego tranzystora IGBT wynosiły: t on = 0,5 us, t off = 0,35 us. Dla takich danych indukcyjności dławików pojemność kondensatora przekształtnika rezonansowego były następujące (przy założeniu k = 0,2: L s = 60 uh, L a = 23 uh, c = 2,9 uf, i sa = 66 A. Dla podanych wartości zakres zmian współczynnika wypełnienia wynosi: dla 500 Hz: 0,0064 < d < 0,986 dlalkhz: 0,0128 < d < 0,972 dla 2 khz: 0,0256 < 6 < 0,945 dla 5 khz: 0,0641 < S < 0,862 Zasadniczym celem stosowania układów wspomagających przełączanie jest zmniejszenie strat mocy powstających w półprzewodnikowych elementach sterowanych. Jeżeli założyć, że w procesach załączania i wyłączania napięcie prąd łącznika zmieniają się liniowo względem czasu, to straty mocy przełączania można w przybliżeniu przedstawić w postaci: (13 PS! = ' (koń t on + 1 0 U Toff t off gdzie:/- częstotliwość pracy. lr /:50[ JS/dz] : 15 [A/dz] : 15 [A/dz] Rys.4. Oscylogramy: aprądu i> napięcia na tranzystorze U T, b prądu iis napięcia u c na kondensatorze, c prądu i c prądu i L,, dla pełnego cyklu pracy przekształtnika Straty mocy przełączania występujące w przekształtniku standardowym, pracującym bez wspomagania procesów załączania i wyłączania, można wyznaczyć na podstawie następującej zależności [4]: (14 s2 f I 0 U z (t on + t off Dla takich samych warunków przełączania wynoszą odpowiednio: dla 500 Hz: P sl = 1,2 W, dla 1 khz: P sl = 2,3 W, dla 2 khz: P sl = 4,6 W, dla 5 khz: P,, = 11,6 W, pracy straty mocy P, 2 = 10,6 W, P s2 = 21,3 W, P i2 = 42,5 W, P (2 =106,3W. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 7-8/2004 785

Powyższe wyniki wskazują, że straty mocy przełączania w przekształtniku standardowym są znacznie większe niż w przekształtniku ze wspomaganiem przełączania. Jednakże dla stosunkowo niskich częstotliwości pracy całkowite straty mocy w zaproponowanym przekształtniku rezonansowym są większe wskutek występowania dodatkowych strat mocy, na które składają się m.in. straty przewodzenia w diodzie D s, straty histerezowe w rdzeniu. Należy zaznaczyć, że materiał obwodu magnetycznego tego dławika powinien charakteryzować się dużą rezystywnością ze względu na stosunkowo znaczną częstotliwość pracy przekształtnika. ć:5[ js/dz] i,: M [A/dz] «,:100[V/dz] Rys.5. Oscylogramy prądu i> napięcia u r na tranzystorze podczas: a załączania, b wyłączania Badania laboratoryjne przeprowadzono na przekształtniku o następujących parametrach: L s = 55 uh (dla liniowej części charakterystyki magnesowania, l są = 4 A, L a = 65 ph, C = 2,5 uf. Stała czasowa odbiornika wynosiła 0.013 s, a napięcie zasilania 120V. Na rysunkach 4a,b,c przedstawiono oscylogramy napięcia i prądu tranzystora T, prądu i napięcia na kondensatorze oscylogramy prądu kondensatora i prądu dławika L u. Rysunki 5a,b przedstawiają zmiany napięcia i prądu tranzystora odpowiednio w czasie załączania i wyłączania. Charakterystycznym jest, że załączanie następuje przy niewielkiej wartości prądu łącznika a wyłączanie przy niewielkiej wartości napięcia na łączniku. Wpływa to w istotny sposób na ograniczenie strat mocy przełączania. Podsumowanie Badania laboratoryjne przedstawionego rezonansowego przekształtnika DC/DC wykazały poprawność jego pracy dla różnych wartości średnich prądu odbiornika. Procesy załączania i wyłączania przebiegały w sposób łagodny. Załączanie łącznika następowało przy niewielkim prądzie, a jego wyłączanie przy napięciu bliskim zeru. Układ przekształtnika posiada kilka zalet w odniesieniu do innych układów ze wspomaganiem przełączania stosowanych do regulacji impulsowej napięcia stałego. Maksymalny prąd łącznika nie może być większy niż prąd odbiornika, co jest istotną cechą zaproponowanego przekształtnika w odniesieniu do innych układów tego typu. Przy odpowiednim doborze wartości prądu nasycenia napięcie na łączniku w czasie jego nieprzewodzenia nie przekroczy założonej, maksymalnej wartości napięcia U Tm. Zaproponowany przekształtnik nie zawiera żadnych, dodatkowych rezystancji, co korzystnie wpływa na sprawność układu, zwłaszcza przy dużych częstotliwościach pracy. Nie jest konieczne stosowanie dodatkowych układów zabezpieczających łącznik przed przepięciami, gdyż role tą pełni kondensator układu rezonansowego. Również układ sterowania tego przekształtnika nie wymaga rozbudowy w porównaniu z układem sterowania przekształtnika bez wspomagania przełączania. LITERATURA [1]Jeon S.J., Cho G.H.: A Zero-Voltage and Zero-Current Switching Fuli Bridge DC-DC Converter With Transformer Isolation, IEEE Trans, on Power Electronics, 16 (2001, n.5, 573-580. [2] Kaczmarczyk W.: Analiza teoretyczna wielorezonansowego przekształtnika DC/DC wysokiej częstotliwości, Przegląd Elektrotechniczny, 74 (1998, nr.5, 126-131. [3] Lavieville J.P., Baudesson P., Gilbert L., Bodson J-M.: Industrial 20kHz/150kVA Insulated Soft Switching DC-DC Converter with No Auxiliary Circuit, Proc. of 9th European Conf. on Power Electronics and Applications EPE2001 -Graz, P.1-P.9. [4] Drozdowski P., Mazgaj W., Szular Z.: Rezonansowy przekształtnik DC/DC o strukturze symetrycznej, Przegląd Elektrotechniczny, 79 (2003, nr.5, 342-347. [5]Ellaser A., Torrey D.A.: Soft Switching Active Snubbers for DC/DC Converters, IEEE Trans, on Power Electronics, 11 (1996, n.5, 710-722. [6]Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika, WNT Warszawa 1998. [7] Tunia H., Winiarski B.: Energoelektronika, WNT Warszawa 1994. Autorzy: dr hab. inż. Piotr Drozdowski, e-mail: pdrozdow@usk.pk.edu.pl, dr inż. Witold Mazgaj, e-mail: pemazgaj@cyf-kr.edu.pl, mgr. inż. Zbigniew Szular, e-mail: szular@polbox.com Politechnika Krakowska, Instytut Elektromechanicznych Przemian Energii (E-2, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków 786 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 7-8/2004