Istosmjerni pretvarači bez galvanskog odvajanja

1. UČINSKA ELEKTRONIKA Istosmjerni pretvarači bez galvanskog odvajanja Načela istosmjerne pretvorbe Transformatorske jednadžbe Istosmjerni silazni pretvarač Istosmjerni uzlazni pretvarač Istosmjerni silazno-uzlazni pretvarač Ćukov pretvarač Četverokvadrantni čoper Ak. god. 2013/2014 Zagreb, 03. 12. 2013.

2. Istosmjerna pretvorba – izravna i neizravna

3. Osnovna ideja istosmjerne pretvorbe Linearni regulator napona (nije rješenje učinske elektronike). Istosmjerni pretvarač pomoću preklopke.

4. Usporedba djelotvornosti istosmjernog pretvarača i linearnog regulatora napona Istosmjerni pretvarač (u ovom primjeru silazni pretvarač) postiže znatno veću djelotvornost od linearnog regulatora napona.

5. Podjela izravnih istosmjernih pretvarača • istosmjerni pretvarači bez galvanskog odvajanja • istosmjerni pretvarači s galvanskim odvajanjem • čoper • četverokvadrantni čoper (PWM istosmjerni pretvarač) • silazni (engl. buck converter) • uzlazni (engl. boost converter) • silazno-uzlazni (engl. buck - boost converter)

6. Neke primjene istosmjernih pretvarača – obnovljivi izvori energije

7. Neke primjene istosmjernih pretvarača – obnovljivi izvori energije

8. Pojam transformatorskih jednadžbi Prva transformatorska jednadžba Druga transformatorska jednadžba Ako je jedna transformatorska jednadžba izvedena, druga se izvodi izjednačavanjem ulazne i izlazne snage. Druga transformatorska jednadžba može se dobiti i izravno: iz valnog oblika struje izvora UB.

9. Metoda izvođenja transformatorskih jednadžbi • Naputak: transformatorske jednadžbe istosmjernih pretvarača koji sadrže filtre izvode se iz dva uvjeta: • srednja vrijednost napona na induktivitetu jednaka je nuli • srednja vrijednost struje kroz kapacitet jednaka je nuli. • To su uvjeti ustaljenog stanja Faktor vođenja D (opterećenja, upravljanja) može se smatrati prijenosnim omjerom.

10. Istosmjerni silazni pretvarač Pretpostavka: C je tako velik da je ud = konst. Uočite da je srednja vrijednost struja kroz trošilo jednaka srednjoj vrijednosti struje krozinduktivitet. Još uočite da je srednja vrijednost napona na diodi jednaka srednjoj vrijednosti napona na trošilu.

11. Neisprekidani način rada Polazi se od valnog oblika napona na induktivitetu. Srednja vrijednost napona na induktivitetu u ustaljenom stanju jednaka je nuli. Slijedi naponska transformatorska jednadžba:

12. Neisprekidani način rada Naponska transformatorska jednadžba je evidentna. Srednja vrijednost napona na trošilu jednaka je srednjoj vrijednosti napona na diodi, jer je srednja vrijednost napona na induktivitetu (u ustaljenom stanju) jednaka nuli. Strujna transformatorska jednadžba dobije se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:

13. Istosmjerni silazni pretvarač – valni oblici u neisprekidanom načinu rada

14. Struja trošila kod koje nastupa isprekidani način rada Granica između neisprekidanog i isprekidanog načina rada Do isprekidanog načina rada dolazi kada se srednja vrijednost struje trošila smanjuje, primjerice zbog smanjenja potrošnje nekog uređaja. Pri tome je valovitost struje prigušnice nepromijenjena. Kada se srednja vrijednost struje trošila toliko smanji da minimalna vrijednost struje prigušnice padne na nulu, dosegnut je isprekidani način rada. Idk = kritična struja trošila

15. Struja trošila kod koje nastupa isprekidani način rada Ako je UB = konst., onda je Idk = f(D) parabola.

16. Isprekidani način rada Srednja vrijednost napona na induktivitetu mora ostati jednaka nuli. Trajanje negativne površine se smanjilo, pa se amplituda negativnog napona mora povećati. Dakle, izlazni napon pretvarača raste, uz nepromijenjeni faktor opterećenja D.

17. Isprekidani način rada Naponska transformatorska jednadžba: Treba naći .

18. Isprekidani način rada Konačno: Naponska transformatorska jednadžba više nije linearna.

19. Izlazne karakteristike

20. Isprekidani način rada – minimalna vrijednost induktiviteta L Potrebno je znati izračunati minimalnu vrijednost induktiviteta L = Lmin koja za zadanu srednju vrijednost struje trošila osigurava neisprekidani način rada. Koriste se izrazi za minimalnu i maksimalnu vrijednost struje prigušnice, do kojih se jednostavno dolazi pomoću temeljnih strujno-naponskih odnosa.

21. Isprekidani način rada – minimalna vrijednost induktiviteta L Na granici između neisprekidanog i isprekidanog načina rada je Imin = 0, te slijedi: Za zadanu radnu frekvenciju pretvarača potrebna minimalna vrijednost induktiviteta jednaka je:

22. Isprekidani način rada: kako izbjeći učinke? • Hardverski pristup: • povećanjem induktiviteta L, tako da se valovitost struje ΔIL održi na potrebnoj razini. • Upravljački pristup: • promjenom sklopne frekvencije fS, uz održavanje konstantnog vremena vođenja sklopke tON, tako da je ΔIL = konst. • smanjivanjem vremena vođenja sklopke tON, uz održavanje konstantne sklopne frekvencije fS, smanjujući na taj način ΔIL.

23. Valovitost izlaznog napona Valni oblik struje kroz izlazni kondenzator sličan je valnom obliku struje kroz prigušnic, ali je srednja vrijednost struje kondenzatora jednaka nuli. Zašto? Struja kondenzatora je trokutnog valnog oblika. Pozitivna struja kondenzatora je struja nabijanja, a negativna struja je struja izbijanja (pražnjenja). Promjena napona na kondenzatoru odgovara integralu struje kroz kondenzator, pa je valni oblik napona na kondenzatoru očekivan.

24. Valovitost izlaznog napona Promjena naboja ΔQ se računa iz površine trokuta: Ukoliko se za promjenu struje ΔiL upotrijebi odgovarajući izraz (nagib struje određen je naponom izvora, induktivitetom i vremenom vođenja) dobije se: Što je u normiranom obliku:

25. Istosmjerni uzlazni pretvarač Pretpostavka: C je tako velik da je ud = konst.

26. Neisprekidani način rada Slijedi naponska transformatorska jednadžba: Strujna transformatorska jednadžba dobije se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:

27. Istosmjerni uzlazni pretvarač – valni oblici u neisprekidanom načinu rada

28. Struja trošila kod koje nastupa isprekidani način rada Idk = kritična struja trošila

29. Struja trošila kod koje nastupa isprekidani način rada Maksimum ove funkcije je za D = 1/3 i iznosi:

30. Isprekidani način rada – minimalna vrijednost induktiviteta L Potrebno je znati izračunati minimalnu vrijednost induktiviteta L = Lmin za zadanu srednju vrijednost struje trošila koja osigurava neisprekidani način rada. Koriste se izrazi za minimalnu i maksimalnu vrijednost struje prigušnice, do koji se jednostavno dolazi pomoću temeljnih strujno-naponskih odnosa. Izrazi su slični onima kod silaznog pretvarača.

31. Isprekidani način rada – minimalna vrijednost induktiviteta L Na granici između neisprekidanog i isprekidanog načina rada je Imin = 0, te slijedi Za zadanu radnu frekvenciju pretvarača potrebna minimalna vrijednost induktiviteta jednaka je:

32. Valovitost izlaznog napona Valni oblik struje kroz izlazni kondenzator. Promjena naboja ΔQ: Slijedi izraz za valovitost napona na izlaznom kondenzatoru:

33. Istosmjerni silazno – uzlazni pretvarač Pretpostavka: C je tako velik da je ud = konst.

34. Neisprekidani način rada Slijedi naponska transformatorska jednadžba: Strujna transformatorska jednadžba dobije se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:

35. Istosmjerni silazno-uzlazni pretvarač – valni oblici u neisprekidanom načinu rada

36. Isprekidani način rada – minimalna vrijednost induktiviteta L Potrebno je znati izračunati minimalnu vrijednost induktiviteta L = Lmin za zadanu srednju vrijednost struje trošila koja osigurava neisprekidani način rada. Koriste se izrazi za minimalnu i maksimalnu vrijednost struje prigušnice, do koji se jednostavno dolazi pomoću temeljnih strujno-naponskih odnosa. Izrazi su slični onima kod silaznog pretvarača.

37. Isprekidani način rada – minimalna vrijednost induktiviteta L Na granici između neisprekidanog i isprekidanog načina rada je Imin = 0. Za zadnu radnu frekvenciju pretvarača potrebna minimalna vrijednost induktiviteta jednaka je:

38. Valovitost izlaznog napona Valni oblik struje kroz izlazni kondenzator silazno - uzlaznog pretvarača odgovara onom kod uzlaznog pretvarača. Promjena naboja ΔQ: Slijedi izraz za valovitost napona na izlaznom kondenzatoru.

39. Utjecaj neidealnih komponenata na rad istosmjernih pretvarača – pad napon na poluvodičkim ventilima Može li se pomoću istosmjernog uzlaznog pretvarača od ulaznog napona 10 V na izlazu dobiti napon od 1000 V ? Utjecaj pada napona na poluvodičkim ventilima na omjer izlaznog i ulaznog napona prikazat će se na primjeru istosmjernog silaznog pretvarača. Napon na induktivitetu kada je sklopka S zatvorena: gdje je US pad napona na poluvodičkom ventilu u vođenju. Napon na induktivitetu kada je sklopka S otvorena:

40. Utjecaj neidealnih komponenata na rad istosmjernih pretvarača – napon na poluvodičkim ventilima Srednja vrijednost napona na induktivitetu u ustaljenom stanju jednaka je 0: Slijedi da je izlazni napon u stvarnom slučaju jednak: što je manje nego u idealnom slučaju: Kao što je i očekivano, pad napona na poluvodičkim ventilima u vođenju smanjuje izlazni napon.

41. Utjecaj neidealnih komponenata na rad istosmjernih pretvarača – ekvivalentni serijski otpor kondenzatora Do sada prikazani valni oblici valovitosti napona na izlaznom kondenzatoru pretvarača vrijedili su za idealni kondenzator, bez otpora. Međutim, svi stvarni kondenzatori imaju neki serijski otpor (engl. equivalent series resistance – ESR). Približan utjecaj ESR-a na valovitost izlaznog napona može se procijeniti uz opravdanu pretpostavku da struja idealnog kondenzatora teče i kroz ESR. Valovitost napona zbog ESR tada je: Za ukupnu valovitost vrijedi: Utjecaj ESR na valovitost izlaznog napona je značajan, a često je i veći od utjecaja same valovitosti struje kondenzatora.

42. Utjecaj neidealnih komponenata na rad istosmjernih pretvarača – otpor prigušnice (RL) Otpor prigušnice u istosmjernim pretvaračima treba biti što manji. Utjecaj nezanemarivog otpora prigušnice na rad istosmjernih pretvarača prikazat će se na primjeru uzlaznog pretvarača. Naponska transformatorska jednadžba istosmjernog uzlaznog pretvarača je: Ukoliko se zanemare ostali gubici, snaga koju daje izvor predaje se trošilu i disipira na otporu prigušnice RL: Pretpostavimo da je struja prigušnice nevalovita. Struja izvora jednaka je struji prigušnice, dok je srednja vrijednost struje diode jednaka srednjoj vrijednosti struje trošila. Između srednjih vrijednosti struja vrijedi odnos :

43. Utjecaj neidealnih komponenata na rad istosmjernih pretvarača – otpor prigušnice ( RL ) Nakon odgovarajućih uvrštavanja i kraćeg računanja dobiva se za izlazni napon pretvarača: Uočava se korekcijski faktor koji ima veliki utjecaj s približavanjem faktora vođenja jedinici. Utjecaj RL također se može uočiti iz izraza za djelotvornost pretvarača :

44. Utjecaj neidealnih komponenata na rad istosmjernih pretvarača – otpor prigušnice ( RL ) Na donjim slikama prikazan je utjecaj otpora RL. Zaista, pomoću istosmjernog uzlaznog pretvarača ne mogu se ostvariti proizvoljno veliki omjeri izlaznog i ulaznog napona kao što se to činilo na početku. Ovisnost omjera izlaznog i ulaznog napona o faktoru vođenja D za idealni i stvarni pretvarač. Ovisnost djelotvornosti o faktoru vođenaj D za idealni i stvarni pretvarač.

45. Primjer: Ograničenje radne frekvencije istosmjernih pretvarača - gubitci sklopke Istosmjerni silazni pretvarač s komutacijskim induktivitetom Lc. Gubitci postoje i uz pretpostavku da je sklopka idealna. Indeksi veličina koje se odnose na sklopne elemente pišu se velikim slovima.

46. Zadatak: Ograničenje radne frekvencije istosmjernih pretvarača - gubici sklopke Jednostavniji proračun pomoću valnog oblika gubitaka Npr. ako je US = 2UB, Lc = 25 H, Id = 200 A, onda je: Za vježbu: Izvesti izraz za Wi integriranjem umnoška us is.

47. Načelo upravljanja istosmjernim pretvaračima – modulacija širine impulsa (PWM modulacija) Analogna izvedba sklopa za generiranje upravljačkog signala

48. IPES – primjeri istosmjernih pretvarača

49. IPES – primjeri istosmjernih pretvarača

50. IPES – primjeri istosmjernih pretvarača