DC/DC PRETVORBA VISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI PRETVARA ČI SA GALVANSK IM ODVAJANJ EM

1. UČINSKA ELEKTRONIKA DC/DC PRETVORBAVISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI PRETVARAČISA GALVANSKIM ODVAJANJEM • potreba za galvanskim odvajanjem • izravni pretvarač (forward) • neizravni pretvarač (flyback) • odabrani primjeri Ak. god. 2010/2011 Zagreb,

2. Zbog čega je potrebno galvansko odvajanje? • potreba za odvajanjem potencijala ulaznog i izlaznog sustava • potreba za većim 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 Φ2 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 uključenja impedancije Z. Naponska ravnoteža primarnog svitka zahtijeva u transformatoru tzv. magnetsku ravnotežu:

5. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom Drugi način postizanja izlaznog napona višeg od ulaznog jest upotrebom transformatora. D1 D2 Pitanje: Čemu služi sklopka, ako idealni transformator transformira istosmjerni napon? Za upravljanje srednjom vrijednosti napona na porednoj diodi odnosno trošilu.

6. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom– zasniva se na silaznom pretvaraču Ovaj se pretvarač zasniva na silaznom pretvaraču, koji je izravni pretvarač. Energija prolazi kroz transformator samo tijekom jednog polariteta primarnog napona. Zbog toga se naziva izravni nesimetrični pretvarača s transformatorom.

7. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom Naponska transformatorska jednadžba

8. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom– problem struje magnetiziranja Stvari nisu tako jednostavne jer transformator nije idealan ! Problem je struja magnetiziranja

9. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom– moguća rješenja ? Nije dobro rješenje uporaba poredne diode, A niti spajanje otpora paralelno primaru:

10. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i naponskom pritegom

11. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i naponskom pritegom

12. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i naponskom pritegom – odabir priteznog napona Osnovno pitanje: koliki mora biti pritezni napon Vc ? Pritezni napon mora biti to veći što je veći D : Na primjer, ako je V1 = 50 V i Dmax = 0,8 Ključno pitanje: koliku energiju preuzima pritezni sklop prilikom svake prorade?

13. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i naponskom pritegom Ovaj je zadatak već riješen prilikom računanja sklopnih gubitaka u silaznom pretvaraču uz rasipne induktivitete. Rezultat je:

14. Izravni nesimetrični pretvarač 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 nesimetrični pretvarač s transformatorom i transformatorski spregnutom naponskom pritegom Tumačanje djelovanja tercijarnog namota Bitno je: magnetska veza između 2 namota je idealna tumačenje zasnovano na fizikalnoj slici tumačenje zasnovano na modelu

16. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i transformatorski spregnutom naponskom pritegom V1N2/N1 iP i2 xx iP

17. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i transformatorski spregnutom naponskom pritegom xx iP

18. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i transformatorski spregnutom naponskom pritegom Trajanje vođenja sklopke ne smije prekoračiti vrijednost: T – tD3 , jer u protivnom dolazi do pomicanja radne točke transformatora. Zato je klučno pitanje kolika je vrijednost tD3

19. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i transformatorski spregnutom naponskom pritegom Vježba: izvedite izraz za tD3 promatranjem kruga primarnog namota!

20. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i transformatorski spregnutom naponskom pritegom Još jedan pogled na tD3 : Uvjet je :

21. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom i transformatorski spregnutom naponskom pritegom Slijedi: Ako je N3 = N1, onda je: Dmax < 0,5 . Što je N3 manji, to je Dmax bliži 1. No naponsko naprezanje sklopke raste.

22. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom u heterogenom mosnom spoju Česta metoda održavanja neprekinutosti struje kroz induktivna trošila uklapana i isklapana tranzistorom jest premošćivanje trošila diodom, tzv. porednom diodom. Problem primjene ove metode u istosmjernim pretvaračima 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 nesimetrični pretvarač s transformatorom u heterogenom mosnom spoju Kada je Q1 isklopljen, donji priključak trošila je spojen na pozitivnu sabirnicu preko D1. Dakle, ako bi se mogao gornji priključak trošila spojiti na negativnu sabirnicu, pražnjenje induktiviteta odigravalo bi se pod djelovanjem napona –V1. To se može učiniti dodavanjem Q2 i D2, kao što je to prikazano na slici. Tranzistori Q1 i Q2 uklapaju i isklapaju istodobno. Primijetite: diode ne omogućuju promjenu smjera struje iu, pa se i u ovom slučaju magnetski tok transformatora resetira na minimalnu vrijednost od samo Bmin= 0.

24. Izravni nesimetrični pretvarač s transformatorom u heterogenom mosnom spoju Taj spoj je još uvijek nesimetričan, a pretvarač se naziva izravni nesimetrični pretvarač s galvanskim odvajanjem i ulaznim izmjenjivačem u heterogenom mosnom spoju, jer su dvije od četiri sklopke mosta upravljive. Ovaj pretvarač 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 čiji su emiteri na različitim potencijalima. Ograničenje spoja je gornja granica faktora vođenja – spoj ne može raditi s faktorom vođenja većim od 50 %. Na maksimalni faktor vođenja može se zaključiti 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 točno: postoji interval komutacije u kojem vode i dioda D3 i dioda D4, no o tome se ovdje neće raspravljati.

25. Izravni simetrični pretvarač s transformatorom Iako je sekundarni napon transformatora prethodnog pretvaračkog spoja iz- mjenični i bez istosmjerne komponente, na izlazu se ne može upotrijebiti punovalni ispravljač. Razlog tome su diode D1 i D2 koje sprječavaju da iP postane negativan, što je nužno ako se na sekundarni napon transformatora priključuje punovalni ispravljač. Zato je frekvencija valovitog napona vd jednaka sklopnoj frekvenciji tranzistorâ. Simetrični pretvarači omogućuju punovalno ispravljanje i udvostručenje frekvencije valovitog napona – i pored toga bolje iskorišćuju materijal jezgre transformatora. Njihov je nedostatak da su složeniji od svojih nesimetričnih parova. Ako se diode i tranzistori u heterogenom mosnom spoju zamijene strujno dvosmjernim sklopkama, na izlazu pretvarača može biti punovalni ispravljač. Taj spoj ima dvije prednosti. Prvo, izlazna prigušnica može biti manja, jer je frekvencija valovitog napona dvostruko veća od one u nesimetričnih spojeva. Drugo, materijal jezgre transformatora može biti bolje iskorišten jer struja magnetiziranja im može promijeniti smjer i time omogućiti mijenjanje magnetske indukcije između ± Bs, umjesto između 0 i + Bs. Bs je gustoća magnetskog toka pri kojoj materijal jezgre dolazi u zasićenje.

26. Izravni simetrični pretvarač s transformatorom U ovom slučaju faktor vođenja 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 〈vd〉 = V1/N.

27. Neizravni pretvarač s transformatorom (flyback) Zašto uopće vraćati energiju u izvor ? Energija je potrebna trošilu. Tako se dolazi do sheme: Da bi to bilo moguće, paralelno trošilu mora biti spremnik električne energije.

28. Neizravni pretvarač s transformatorom (flyback) Razmišljajmo dalje. Zašto da se za prijenos energije ne upotrijebi samo tercijarni namot ?

29. Neizravni pretvarač s transformatorom (flyback) neisprekidani način rada Naponska transformatorska jednadžba Ovaj matematički izraz neodoljivo podjeća na transformatorsku jednadžbu neizravnog pretvarača (silazno-uzlazni). Ispitajmo da li se ovaj pretvarač zasniva na neizravnom pretvaraču!

30. Neizravni pretvarač s transformatorom (flyback) neisprekidani način rada Na L je izmjenični napon. Zato se može zamijeniti transformatorom.

31. Neizravni pretvarač s transformatorom (flyback) neisprekidani način rada Prema tome, to je neizravni pretvarač s transformatorom.

32. Neizravni pretvarač s transformatorom (flyback) neisprekidani način rada Naponsko-strujni odnosi za neisprekidani način rada Primijetite: Kada teče struja primara, ne teče struja sekundara. Što zaključujete?

33. Neizravni pretvarač s transformatorom (flyback) neisprekidani način rada Vježba: izvedite naponsku transformatorsku jednadžbu iz uvjeta periodičnosti struje magnetiziranja iμ ! Naponska transformatorska jednadžba može se izvesti i iz uvjeta neprekinutosti magnetskog toka u jezgri. Pokušajte za vježbu!

34. Neizravni pretvarač s transformatorom (flyback) isprekidani način rada Isprekidani način rada Kriterij je struja magnetiziranja (tj. magnetski tok u jezgri) Naponska transformatorska jednadžba

35. UČINSKA ELEKTRONIKA ISTOSMJERNI PRETVARAČI S GALVANSKIM ODVAJANJEM Zadatci Ak. god. 2010/2011 Zagreb,

36. Primjer 1.: Izravni nesimetrični istosmjerni pretvarač 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 Lxi valovitost izlaznog napona. • Izlazni napon Maksimalna i minimalna struja kroz induktivitet Ideja proračuna (pretpostavlja se da je struja neisprekidana): ILxsrednja 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 računa se pod pretpostavkom da izlazni napon ima zanemarivu valovitost, tj. da je kapacitet dovoljno velik. Porast struje tijekom vođenja tranzistora jednak je padu struje tijekom nevođenja. Porast struje tijekom vođenja iznosi:

40. Kontrola. Pad struje tijekom nevođenja iznosi:

41. Maksimalna i minimalna vrijednost struje kroz induktivitetiLx: Dakle, struja kroz induktivitet je neisprekidana.

42. Odredite: b) Vršnu struju u primarnom namotu transformatora. Provjerite da li struja magnetiziranja padne na nulu prije početka sljedeće sklopne periode! Vršna struja primarnog namota Ideja proračuna: Vršna struja u primarnom namotu transformatora je jednaka zbroju vršnetransformirane 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 početka slijedeće 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 padnena nulu nakon početka periode iznosi 22,8 s, što je manje od sklopne periode od 28,6 s. Pitanje: Da li se bez računanja može zaključiti da struja padne na nulu za 11,4 s?

45. Primjer 2.: Izravni nesimetrični istosmjerni pretvarač s transformatorom u neisprekidanom načinu rada Projektni zahtjevi: Vo= 100 V Vs = 170 V R = 50  Traži se:  prijenosni omjer transformatora  faktor opterećenja sklopke  Lxtakav da je struja iLx neisprekidana sklopna frekvencija.

46. Prijenosni omjer transformatora Neka je prijenosni omjer N1/N3 = 1. Ovakav odabir prijenosnog omjera rezultiramaksimalno mogućim faktorom opterećenja sklopke od 0,5. Slijedi: Da bi se osigurao rad sklopa u sigurnom području, odabire seN1/N2 = 0,5. Faktor opterećenja 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 načinu rada (tj. ILx,min >0), iLx mora biti manji od 4 A (dvostruka srednja vrijednost). Odabirom sklopne frekvencijeod 25 kHz, dolazi se do: Zbog sigurnosti odabire seLx = 1 mH.

48. Primjer 3.: Neizravni istosmjernipretvarač 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 opterećenja sklopke D. Pretpostavit ćemo neisprekidani način rada. Ako se pokaže da pretpostavka ne stoji, račun će se ponoviti za isprekidani način rada. Uvrštenjem u transformatorsku jednadžbu: dobiva se:

50. Odredite: b) Srednju, maksimalnu i minimalnu vrijednost struje magnetiziranja iLm. Srednja struja magnetiziranja Računa se iz uvjeta da je ulazna snaga jednaka izlaznoj: