Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania

Elektroniczne Układy i Elektroniczne Układy i Systemy ZasilaniaSystemy Zasilania

Politechnika Śląska w GliwicachPolitechnika Śląska w GliwicachWydział Automatyki, Elektroniki i InformatykiWydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki

dr inż. Ryszard Siurekdr inż. Ryszard Siurek

Wykład 5Wykład 5

Przetwornice impulsowePrzetwornice impulsowe

Zastosowanie transformatora

- zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy wejściem i wyjściem

(bezpieczeństwo, dowolna polaryzacja napięcia wyjściowego)

- małe wymiary transformatora ze względu na dużą częstotliwość

przełączania

- obniżanie lub podwyższanie napięcia wyjściowego niezależnie od

przyjętej podstawowej struktury sterownika impulsowego

- możliwość obniżenia napięcia wejściowego tak, aby można było

wykorzystywać optymalny zakres współczynnika wypełnienia

(w szczególności dotyczy to zasilaczy sieciowych – wysokie napięcie

wejściowe i bardzo niskie napięcia wyjściowe)

- możliwość łatwego uzyskania kilku napięć wyjściowych

==

Przetwornica jednotaktowa – jednotranzystorowa Przetwornica jednotaktowa – jednotranzystorowa (ang. forward converter)(ang. forward converter)

ZZp ZZw

ZZd

TT

DD1

DD2 LL

CC RR0 U0

Up UwUwe

Cwe

nUU

ZZ

w

p

w

p przekładnia transformatoraprzekładnia transformatora

typowy obwód filtru sterownika STSItypowy obwód filtru sterownika STSI

TT

Model transformatoraModel transformatora

Up

IIpp

IM

IIw w = I= Iw w /n/n

LLp

**

Up = Uwn**

LLsp LLsw

IIp

IIw

Uw

IIw

transformator transformator idealnyidealny

nn

Zakładamy: LZakładamy: Lspsp, L, Lswsw = 0 = 0

rrpp, r, rww = 0 = 0

rrpp 2ww nrr

M

Schematy zastępcze przetwornicy jednotaktowejSchematy zastępcze przetwornicy jednotaktowej

Takt I 0 < t Takt I 0 < t <<

Tranzystor T - włączony , dioda D2 - przewodzi, dioda D1 - nie przewodziTranzystor T - włączony , dioda D2 - przewodzi, dioda D1 - nie przewodzi

nn

LL

CC RR0 U0

TT

DD1

DD2

IM

Ip = IT

tL

UUI(t)i 0wLminw

Uwe

Iw

Up Uw

IL

IM

IT

IL

M

ILmin

ILmax

M

nLminI

nLmaxI

LLp

*wI

*wIIM

IT

IMmax

IMmax

p

weMmax L

UI

MT I*wII

Mmax

Takt II Takt II < t < t << T TTranzystor T - wyłączony , dioda D2 - nie przewodzi, dioda D1 - przewodziTranzystor T - wyłączony , dioda D2 - nie przewodzi, dioda D1 - przewodzi

nn

LL

CC RR0 U0

TT

DD1

DD2

IM

Ip = 0

Uwe

Iw=0Up

Uw

IL

IM

IT

IL

M

ILmin

ILmax

M

nLminI

nLmaxI

LLp

0I*w

*wIIM

IT

IMmax

IMmax

Mmax

Up

Uw=Up/nUd=Uwe

DDd

Up=

UT

ZZp

ZZdd

pwe Z

ZU

d

pwe Z

ZU

TT

Uwed

pwe Z

ZU

I0

IM

IMmax

prąd w Zpprąd w Zp prąd w Zdprąd w Zd

1.1. Po wyłączeniu T pojawia się przepięcie Po wyłączeniu T pojawia się przepięcie UUpp

na uzwojeniu Zna uzwojeniu Zp p i transformuje się jako i transformuje się jako UUww

na stronę wtórnąna stronę wtórną

2.2. Wyłącza się dioda DWyłącza się dioda D22, przepięcie transfor-, przepięcie transfor-

muje się na uzwojenie Zmuje się na uzwojenie Zdd i włacza diodę D i włacza diodę Ddd

3.3. Napięcie UNapięcie Udd osiaga wartość U osiaga wartość Uwewe i nie może i nie może

więcej wzrastaćwięcej wzrastać

4.4. Napięcie UNapięcie Udd=U=Uwewe transformuje się na transformuje się na

uzwojenie Zuzwojenie Zpp poziomując je na wartości U poziomując je na wartości Upp

5.5. Rdzeń transformatora rozmagnesowuje się Rdzeń transformatora rozmagnesowuje się w czasie w czasie 11

Ud

pweT UUU

UT

Rozmagnesowanie transformatora – analiza szczegółowaRozmagnesowanie transformatora – analiza szczegółowa

ZZdZZp

iiZpZp(t)(t)iiZdZd(t)(t)

LLp

LLs

d

pwe Z

ZU

TT

UT

ULsUweUwe

TT

UT

d

pwe Z

ZU

Uwe

ULs

IZp

IZd

M

IMmax

d

pMmax Z

ZI

Dążymy do tego, aby Dążymy do tego, aby UULsLs było jak było jak

najmniejsze, a więc Lnajmniejsze, a więc Lss musi być małe - to musi być małe - to

wymaga dobrego sprzężenia magne-wymaga dobrego sprzężenia magne-tycznego pomiędzy uzwojeniami Ztycznego pomiędzy uzwojeniami Zpp i Z i Zdd

W praktyce ZW praktyce Zpp = Z = Zdd i uzwojenia nawijaja się i uzwojenia nawijaja się

bifilarnie.bifilarnie.

wtedy Uwtedy UTmaxTmax = 2U = 2Uwewe

11

d

we

p

weMmax L

UL

UI

W celu pełnego rozmagnesowania rdzenia musi być spełnione: W celu pełnego rozmagnesowania rdzenia musi być spełnione: 0,5Τ1

Lswe

d

pweT UU

Z

ZUU

rzeczywiste rzeczywiste przepięcieprzepięcie

Mmax

Różne sposoby rozmagnesowania rdzeniaRóżne sposoby rozmagnesowania rdzenia

ZZp ZZw

ZZd

TT

DD1

DD2 LL

CC RR0 U0

Uwe

Cwe

DDd ZZp=Zd

CCss

RRssDDss

Układ tłumiący przepięcia na tranzystorzeUkład tłumiący przepięcia na tranzystorze (ang. snubbar circuit)(ang. snubbar circuit)

Wady:Wady:

konieczność stosowania dwóch uzwojeń, trudności w nawijaniu, wysoki koszt konieczność stosowania dwóch uzwojeń, trudności w nawijaniu, wysoki koszt transformatora, możliwość przebicia elektrycznego izolacji, współczynnik wypełnienia transformatora, możliwość przebicia elektrycznego izolacji, współczynnik wypełnienia < 0,5, konieczność tłumienia przepięć na tranzystorze< 0,5, konieczność tłumienia przepięć na tranzystorze

Zalety:Zalety:

Odzyskiwanie dużej części energii magnesowania (sprawność), jeden Odzyskiwanie dużej części energii magnesowania (sprawność), jeden tranzystor przełączający, łatwe sterowanie tranzystoratranzystor przełączający, łatwe sterowanie tranzystora

ZZp ZZw

TT

DD1

DD2 LL

CC RR0 U0

Uwe

Cwe

ZZp=Zd

CsRs

Up

UT=Up+Uwe

Gdy UGdy Uoo jest większe (większy rezystor R jest większe (większy rezystor Rss), to ), to

czas rozmagnesowania czas rozmagnesowania 11 maleje i może być maleje i może być

mniejszy od mniejszy od . Tak więc można stosować . Tak więc można stosować współczynnik wypełnienia współczynnik wypełnienia > 0,5 > 0,5

Wady:Wady:

energia magnesowania jest tracona w rezystorze Rs, mniejsza sprawność, energia magnesowania jest tracona w rezystorze Rs, mniejsza sprawność, konieczność stosowania rezystora (rezystorów) dużej mocy, nagrzewanie elementów, konieczność stosowania rezystora (rezystorów) dużej mocy, nagrzewanie elementów, możliwość wystepowania na tranzystorze napięcia większego od 2Umożliwość wystepowania na tranzystorze napięcia większego od 2Uwewe

Zalety:Zalety:

Tańszy i prostszy transformator, możliwość pracy z większym od 0,5 Tańszy i prostszy transformator, możliwość pracy z większym od 0,5 współczyn-nikiem wypełnienia, brak dodatkowych przepięć na tranzystorze – nie ma współczyn-nikiem wypełnienia, brak dodatkowych przepięć na tranzystorze – nie ma problemu indukcyjności rozproszeniaproblemu indukcyjności rozproszenia

W tej konfiguracji przetwornicy układ nie stosowany w praktyce ze względu W tej konfiguracji przetwornicy układ nie stosowany w praktyce ze względu na zbyt duże straty mocy.na zbyt duże straty mocy.

ZZp ZZw

T2T2

DD1

DD2 LL

CC RR0 U0Up

Uw

Uwe

Cwe

T1T1D1

D2 Up=Uwe < 0,5

Wady:Wady:

dwa tranzystory przełączające, skomplikowany układ sterowania, wyższe dwa tranzystory przełączające, skomplikowany układ sterowania, wyższe kosztykoszty

Zalety:Zalety:

prosty transformator, brak dodatkowych przepięć na tranzystorze – nie ma prosty transformator, brak dodatkowych przepięć na tranzystorze – nie ma problemu indukcyjności rozproszenia, napięcie na tranzystorze nie przekracza Uproblemu indukcyjności rozproszenia, napięcie na tranzystorze nie przekracza Uwewe

W tej konfiguracji przetwornicy układ stosowany często przy dużych mocach W tej konfiguracji przetwornicy układ stosowany często przy dużych mocach wyjściowych – zwykle powyżej 300 – 500Wwyjściowych – zwykle powyżej 300 – 500W

IIpp

Przedstawienie zjawisk w rdzeniu magnetycznym na Przedstawienie zjawisk w rdzeniu magnetycznym na krzywej magnesowania – zjawisko nasyceniakrzywej magnesowania – zjawisko nasycenia

BB

HH

BBss

-B-Bss

M

A

T

M Mmax

IM

IMmax

prąd prąd magnesowaniamagnesowania

prąd prąd rozmagnesowaniarozmagnesowania

BB

HH

BBss

-B-Bss

M

A

T

g

ZIHl

SBM

M

IM

Ip

iM(t)

iw(t)**

Nasycanie rdzenia dla nie-Nasycanie rdzenia dla nie-prawidłowo zaprojekto-prawidłowo zaprojekto-wanego transformatorawanego transformatora

Nasycenie rdzenia jako wynik niewłaściwego Nasycenie rdzenia jako wynik niewłaściwego rozmagnesowania transformatorarozmagnesowania transformatora

BB

HH

BBss

-B-Bss

M

A

T

g

ZIHl

SBM

SBSS

M

tt

tt

Ip

Nasycenie rdzenia dławika wyjściowegoNasycenie rdzenia dławika wyjściowego

BB

HH

BBss

-B-Bss

M

A

T

g

L00

ZIH

l

BB00

HH

BB

HH00(I(I00)) HH11(I(I11))

tt

Ip

IL

tt

I0

I1