DC/DC PRETVORBA VISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI PRETVARACI SA GALVANSKIM ODVAJANJEM

1
DC/DC PRETVORBAVISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI
PRETVARACI SA GALVANSKIM ODVAJANJEM
UCINSKA ELEKTRONIKA

• potreba za galvanskim odvajanjem
• izravni pretvarac (forward)
• neizravni pretvarac (flyback)
• odabrani primjeri

Ak. god. 2010/2011
Zagreb,
2
Zbog cega je potrebno galvansko odvajanje?

• potreba za odvajanjem potencijala ulaznog i
  izlaznog sustava
• potreba za vecim omjerima ulaznog i izlaznog
  napona koji se postižu transformatorom

3
Dvije osnovne topologije
4
Kratko ponavljanje - magnetizam

2
2
Amperzavoji sekundarnog svitka i2N2 sa svojim
tokom F2 narušavaju naponsku ravnotežu primarnog
svitka. Stoga primarni svitak automatski iz mreže
uzima dodatnu struju i1d koja sa zavojima
primarnog svitka i1dN1 protjera dodatni tok tako
da se ponovno uspostavi narušena naponska
ravnoteža primarnog svitka kakva je bila prije
ukljucenja impedancije Z. Naponska ravnoteža
primarnog svitka zahtijeva u transformatoru tzv.
magnetsku ravnotežu
5
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
Drugi nacin postizanja izlaznog napona višeg od
ulaznog jest upotrebom transformatora.
Pitanje Cemu služi sklopka, ako idealni
transformator transformira istosmjerni napon? Za
upravljanje srednjom vrijednosti napona na
porednoj diodi odnosno trošilu.
6
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
zasniva se na silaznom pretvaracu
Ovaj se pretvarac zasniva na silaznom pretvaracu,
koji je izravni pretvarac.
Energija prolazi kroz transformator samo tijekom
jednog polariteta primarnog napona. Zbog toga se
naziva izravni nesimetricni pretvaraca s
transformatorom.
7
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
Naponska transformatorska jednadžba
8
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
problem struje magnetiziranja
Stvari nisu tako jednostavne jer transformator
nije idealan !
Problem je struja magnetiziranja
9
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
moguca rješenja ?
Nije dobro rješenje uporaba poredne diode,
A niti spajanje otpora paralelno primaru
10
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i naponskom pritegom
11
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i naponskom pritegom
12
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i naponskom pritegom odabir priteznog napona
Osnovno pitanje koliki mora biti pritezni napon
Vc ? Pritezni napon mora biti to veci što je veci
D
Na primjer, ako je V1 50 V i Dmax 0,8
Kljucno pitanje koliku energiju preuzima
pritezni sklop prilikom svake prorade?
13
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i naponskom pritegom
Ovaj je zadatak vec riješen prilikom racunanja
sklopnih gubitaka u silaznom pretvaracu uz
rasipne induktivitete. Rezultat je
14
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i transformatorski spregnutom naponskom pritegom
Razmišljajmo, energija možemo korisno iskoristiti
ukoliko je možemo vratiti u izvor. Upotrijebimo
još jedan namot transformatora tercijarni namot.
15
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i transformatorski spregnutom naponskom pritegom
Tumacanje djelovanja tercijarnog namota
Bitno je magnetska veza izmedu 2 namota je
idealna
tumacenje zasnovano na fizikalnoj slici
tumacenje zasnovano na modelu
16
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i transformatorski spregnutom naponskom pritegom
17
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i transformatorski spregnutom naponskom pritegom
18
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i transformatorski spregnutom naponskom pritegom
Trajanje vodenja sklopke ne smije prekoraciti
vrijednost T tD3 , jer u protivnom dolazi do
pomicanja radne tocke transformatora. Zato je
klucno pitanje kolika je vrijednost tD3
19
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i transformatorski spregnutom naponskom pritegom
Vježba izvedite izraz za tD3 promatranjem kruga
primarnog namota!
20
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i transformatorski spregnutom naponskom pritegom
Još jedan pogled na tD3
Uvjet je
21
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
i transformatorski spregnutom naponskom pritegom
Slijedi
Ako je N3 N1, onda je Dmax lt 0,5 . Što je
N3 manji, to je Dmax bliži 1. No naponsko
naprezanje sklopke raste.
22
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
u heterogenom mosnom spoju
Cesta metoda održavanja neprekinutosti struje
kroz induktivna trošila uklapana i isklapana
tranzistorom jest premošcivanje trošila diodom,
tzv. porednom diodom.
Problem primjene ove metode u istosmjernim
pretvaracima s galvanskim odvajanjem jest u tome
što je napon pražnjenja induktiviteta jednak samo
zbroju pada napona na diodi i pada napona na
otporu namota.
23
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
u heterogenom mosnom spoju
Kada je Q1 isklopljen, donji prikljucak trošila
je spojen na pozitivnu sabirnicu preko D1. Dakle,
ako bi se mogao gornji prikljucak trošila spojiti
na negativnu sabirnicu, pražnjenje induktiviteta
odigravalo bi se pod djelovanjem napona ?V1. To
se može uciniti dodavanjem Q2 i D2, kao što je to
prikazano na slici. Tranzistori Q1 i Q2 uklapaju
i isklapaju istodobno. Primijetite diode ne
omogucuju promjenu smjera struje iu, pa se i u
ovom slucaju magnetski tok transformatora
resetira na minimalnu vrijednost od samo Bmin 0.
24
Izravni nesimetricni pretvarac s transformatorom
u heterogenom mosnom spoju
Taj spoj je još uvijek nesimetrican, a pretvarac
se naziva izravni nesimetricni pretvarac s
galvanskim odvajanjem i ulaznim izmjenjivacem u
heterogenom mosnom spoju, jer su dvije od cetiri
sklopke mosta upravljive. Ovaj pretvarac ima na
primarnoj strani transformatora dvostruko više
sklopki od prethodnog. No, sve sklopke su manje
naponski napregnute. I kako struja magnetiziranja
ne mora komutirati iz primarnog namota u pritezni
namot, zaobilazi se rasipni induktivitet spoja.
Ipak, mora se upravljati dvama tranzistorima ciji
su emiteri na razlicitim potencijalima.
Ogranicenje spoja je gornja granica faktora
vodenja ? spoj ne može raditi s faktorom vodenja
vecim od 50 . Na maksimalni faktor vodenja može
se zakljuciti razmatranjem valnih oblika struje
na slici. Ti valni oblici se zasnivaju na
pretpostavci da je rasipni induktivitet
transformatora jednak nuli. U realnom
transformatoru to nije tocno postoji interval
komutacije u kojem vode i dioda D3 i dioda D4, no
o tome se ovdje nece raspravljati.
25
Izravni simetricni pretvarac s transformatorom
Iako je sekundarni napon transformatora
prethodnog pretvarackog spoja iz- mjenicni i bez
istosmjerne komponente, na izlazu se ne može
upotrijebiti punovalni ispravljac. Razlog tome su
diode D1 i D2 koje sprjecavaju da iP postane
negativan, što je nužno ako se na sekundarni
napon transformatora prikljucuje punovalni
ispravljac. Zato je frekvencija valovitog napona
vd jednaka sklopnoj frekvenciji tranzistorâ.
Simetricni pretvaraci omogucuju punovalno
ispravljanje i udvostrucenje frekvencije
valovitog napona ? i pored toga bolje iskorišcuju
materijal jezgre transformatora. Njihov je
nedostatak da su složeniji od svojih
nesimetricnih parova.
Ako se diode i tranzistori u heterogenom mosnom
spoju zamijene strujno dvosmjernim sklopkama, na
izlazu pretvaraca može biti punovalni ispravljac.
Taj spoj ima dvije prednosti. Prvo, izlazna
prigušnica može biti manja, jer je frekvencija
valovitog napona dvostruko veca od one u
nesimetricnih spojeva. Drugo, materijal jezgre
transformatora može biti bolje iskorišten jer
struja magnetiziranja im može promijeniti smjer i
time omoguciti mijenjanje magnetske indukcije
izmedu Bs, umjesto izmedu 0 i Bs. Bs je
gustoca magnetskog toka pri kojoj materijal
jezgre dolazi u zasicenje.
26
Izravni simetricni pretvarac s transformatorom
U ovom slucaju faktor vodenja definiramo u odnosu
na periodu izlaznog istosmjernog napona, umjesto
u odnosu na sklopnu periodu primarnih sklopki.
Ako je D 1, svaka primarna sklopka je
uklopljena 50 sklopne periode, te je ltvdgt
V1/N.
27
Neizravni pretvarac s transformatorom (flyback)
Zašto uopce vracati energiju u izvor ? Energija
je potrebna trošilu. Tako se dolazi do sheme
Da bi to bilo moguce, paralelno trošilu mora biti
spremnik elektricne energije.
28
Neizravni pretvarac s transformatorom (flyback)
Razmišljajmo dalje. Zašto da se za prijenos
energije ne upotrijebi samo tercijarni namot ?
29
Neizravni pretvarac s transformatorom
(flyback) neisprekidani nacin rada
Naponska transformatorska jednadžba
Ovaj matematicki izraz neodoljivo podjeca na
transformatorsku jednadžbu neizravnog pretvaraca
(silazno-uzlazni). Ispitajmo da li se ovaj
pretvarac zasniva na neizravnom pretvaracu!
30
Neizravni pretvarac s transformatorom
(flyback) neisprekidani nacin rada
Na L je izmjenicni napon. Zato se može
zamijeniti transformatorom.
31
Neizravni pretvarac s transformatorom
(flyback) neisprekidani nacin rada
Prema tome, to je neizravni pretvarac s
transformatorom.
32
Neizravni pretvarac s transformatorom
(flyback) neisprekidani nacin rada
33
Neizravni pretvarac s transformatorom
(flyback) neisprekidani nacin rada
Vježba izvedite naponsku transformatorsku
jednadžbu iz uvjeta periodicnosti struje
magnetiziranja iµ !
Naponska transformatorska jednadžba može se
izvesti i iz uvjeta neprekinutosti magnetskog
toka u jezgri. Pokušajte za vježbu!
34
Neizravni pretvarac s transformatorom
(flyback) isprekidani nacin rada
Isprekidani nacin rada Kriterij je struja
magnetiziranja (tj. magnetski tok u
jezgri) Naponska transformatorska jednadžba
35
UCINSKA ELEKTRONIKA
ISTOSMJERNI PRETVARACI S GALVANSKIM
ODVAJANJEM Zadatci

Ak. god. 2010/2011
Zagreb,
36
Primjer 1. Izravni nesimetricni istosmjerni
pretvarac s
transformatorom Podatci   Vs 48 V R 10
? Lx 0,4 mH C 100 ?F f 35 kHz (T
28,57 ?s) N1 / N2 1,5 N1 / N3 1 D
0,4 Lm 5 mH
37

• Odredite
• Izlazni napon, maksimalnu i minimalnu struju kroz
  Lx i valovitost izlaznog napona.
• Izlazni napon

Maksimalna i minimalna struja kroz
induktivitet Ideja proracuna (pretpostavlja se da
je struja neisprekidana)
ILx srednja struja kroz induktivitet ?iLx
amplituda valovitosti struje
38
Srednja struja kroz Lx jednaka je struji trošila,
jer je srednja struja kroz kapacitet u ustaljenom
stanju jednaka nuli
39
Valovitost struje racuna se pod pretpostavkom da
izlazni napon ima zanemarivu valovitost, tj. da
je kapacitet dovoljno velik. Porast struje
tijekom vodenja tranzistora jednak je padu struje
tijekom nevodenja.
Porast struje tijekom vodenja iznosi
40
Kontrola. Pad struje tijekom nevodenja iznosi
41
Maksimalna i minimalna vrijednost struje kroz
induktivitet iLx
Dakle, struja kroz induktivitet je neisprekidana.
42
Odredite b) Vršnu struju u primarnom namotu
transformatora. Provjerite da li struja
magnetiziranja padne na nulu prije pocetka
sljedece sklopne periode! Vršna struja primarnog
namota Ideja proracuna Vršna struja u primarnom
namotu transformatora je jednaka zbroju vršne
transformirane struje sekundara na primar i vršne
struje magnetiziranja
43
Vršna struja magnetiziranja se dobije iz
Dakle
44
Provjera da li struja magnetiziranja padne na
nulu prije pocetka slijedece periode Vrijeme koje
je potrebno da struja magnetiziranja padne na
nulu nakon otvaranja sklopke iznosi
S obzirom da je sklopka zatvorena DT 11,4 ?s,
vrijeme koje je potrebno da struja magnetiziranja
padne na nulu nakon pocetka periode iznosi 22,8
?s, što je manje od sklopne periode od 28,6
?s. Pitanje Da li se bez racunanja može
zakljuciti da struja padne na nulu za 11,4 ?s?
45
Primjer 2. Izravni nesimetricni istosmjerni
pretvarac s transformatorom u
neisprekidanom nacinu rada
Projektni zahtjevi Vo 100 V Vs 170 V R
50 ? Traži se ? prijenosni omjer
transformatora ? faktor opterecenja sklopke ?
Lx takav da je struja iLx neisprekidana ?
sklopna frekvencija.
46
Prijenosni omjer transformatora Neka je
prijenosni omjer N1/N3 1. Ovakav odabir
prijenosnog omjera rezultira maksimalno mogucim
faktorom opterecenja sklopke od 0,5. Slijedi
Da bi se osigurao rad sklopa u sigurnom podrucju,
odabire se N1/N2 0,5. Faktor opterecenja
sklopke Uz N1/N2 0,5
47
Minimalni Lx i sklopna frekvencija
Srednja struja kroz Lx je jednaka struji trošila,
jer je srednja struja kroz C u ustaljenom stanju
jednaka nuli. Stoga
Da bi se osigurao rad sklopa u neisprekidanom
nacinu rada (tj. ILx,min gt0), ?iLx mora biti
manji od 4 A (dvostruka srednja vrijednost).
Odabirom sklopne frekvencije od 25 kHz, dolazi se
do
Zbog sigurnosti odabire se Lx 1 mH.
48
Primjer 3. Neizravni istosmjerni pretvarac s
transformatorom
Podatci Vs 24 V N1/N2 3 Lm 500 ?H R 5
? C 200 ?F f 40 kHz Vo 5 V
49

• Odredite
• Potreban faktor opterecenja sklopke D.

Pretpostavit cemo neisprekidani nacin rada. Ako
se pokaže da pretpostavka ne stoji, racun ce se
ponoviti za isprekidani nacin rada. Uvrštenjem u
transformatorsku jednadžbu
dobiva se
50
Odredite b) Srednju, maksimalnu i minimalnu
vrijednost struje magnetiziranja iLm. Srednja
struja magnetiziranja Racuna se iz uvjeta da je
ulazna snaga jednaka izlaznoj
51
Maksimalna i minimalna struja magnetiziranja
Promjena struje magnetiziranja unutar jedne
periode iznosi
te slijedi maksimalna i minimalna struja
magnetiziranja
Buduci da je iLm, min gt 0, dokazan je
neisprekidani nacin rada pretvaraca.
52
Odredite c) Valovitost izlaznog napona.
53
Primjer 4. Projektiranje neizravnog istosmjernog
pretvaraca s transformatorom u
neisprekidanom nacinu rada
Podatci Treba odabrati Vo 32 V ?
prijenosni omjer transformatora Vs 24 V ?
faktor opterecenja sklopke R 20 ? ?
sklopnu frekvenciju pretvaraca ?Vo/Vo 1
? induktivitet magnetiziranja ILm,min 0,2 ILm
? vrijednost izlaznog kondenzatora
54
Prijenosni omjer transformatora Izlazni napon Vo
pretvaraca ovisi i o D i o N1/N2
Zato jednu velicinu treba odabrati, a druga treba
ostati pristojna (npr. da se mogu kompenzirati
promjene ulaznog napona. Pretpostavimo
prijeno-sni omjer transformatora N1/N2 1/2.
Faktor opterecenja sklopke
55
Sklopna frekvencija pretvaraca Sklopna
frekvencija, induktivitet magnetiziranja i
razlika maksimalne i minimalne struje
induktiviteta magnetiziranja povezani su
jednadžbom
Sklopnu frekvenciju odabrat cemo izvan cujnog
podrucja, npr. 30 kHz.
56
Induktivitet magnetiziranja Treba odrediti ?iLm.
Postavljen je uvjet ILm,min 0,2 ILm, pa treba
odrediti srednju struju magnetiziranja
Minimalna struja magnetiziranja jednaka je 20
srednje vrijednosti struje magnetiziranja i
iznosi 0,2 ? 5,33 1,07 A. Dakle, ?iLm 2(5,33
? ? 1,07) 4,26 A. Uvrštenjem u
dobiva se
57
Kapacitet kondenzatora Vec je izvedeno
pa minimalni kapacitet kondenzatora iznosi
58
Primjer 5. Projektiranje neizravnog istosmjernog
pretvaraca s transformatorom u
isprekidanom nacinu rada Za neizravni pretvarac
iz prethodnog primjera, poveca se vrijednost
otpora trošila sa 20 ? na 50 ?. Pokažite da je
struja magnetiziranja u tom slucaju isprekidana i
izracunajte izlazni napon pretvaraca!
Isprekidanost struje Ideja Naci srednju struju
kroz induktivitet magnetiziranja
i usporediti je s njezinom valovitošcu od vrha
do vrha
Ako je ILm lt ?iLm/2, struja je isprekidana.
59
Uz korištenje odabranih vrijednosti N1/N2 ½ i f
30 kHz, izracunatih vrijednosti D 0,4 i Lm
37,5 ?H, te zadane vrijednosti R 50 ?, dobije
se
2,13 A ? 8,53/2 A ? 2,14 A
60
Izlazni napon
U isprekidanom nacinu rada izlazni napon više
nije jednak 32 V, vec raste na 45,3 V, kao i u
slucaju uzlazno-izlaznog pretvaraca!