Aktivní harmonické filtry (preregulátory)

1. Aktivní harmonické filtry (preregulátory) funkce PFC, zapojení, účiník, synchronní usměrňovač, rezonanční zdroje

2. Nesinusový odběr klasického usměrňovače a) Tato zařízení způsobují rušení- interference, které by neměly překračovat limity dané normou pro frekvence nad 10 kHz. Výsledkem usměrnění a následného vyhlazení pomocí kondenzátoru vznikají harmonické kmitočty vlivem pulsního nabíjecího proudu kondenzátoru.

3. b) Kromě těchto regulací, které se týkají obsahu harmonických, je pro návrh zařízení stále důležitý účiník. Účiník nám sděluje poměr činného a zdánlivého odebíraného výkonu. Zatímco elektrické interference jsou hlavním kritériem pro určení obsahu harmonických, účiník je měřítkem velikosti možné zátěže a bezpečnosti celého zdroje. c) Výkonový měnič umožňuje spojitou transformaci stejnosměrného napájecího napětí, obvykle po usměrnění napětí sítě na vyšší stejnosměrné napětí a to s vysokou účinností. Řídící logika je navržena tak, aby napájecí zdroj odebíral téměř sinusový proud s velmi malým obsahem harmonických a s účiníkem cos  1. Na výstupu je stabilizované stejnosměrné napětí.

4. Porovnání typů usměrnění

5. Typické zapojení PFC(Power factor correction) IL U ID EMI FILTR IT PWM CTRL

6. Průběhy proudů v PFC Pracuje-li PFC na kmitočtu 100 kHz, pak na dobu T/2 připadá 50000 impulzů, ze kterých jsou průběhy složeny. Cívka může být navržena o tak malé indukčnosti L, že její okamžitý proud IL v impulzu klesá na nulu.

7. Spínání tranzistoru Nebo může mít cívka L mnohem větší indukčnost a nárůst (a pokles) jejího proudu jen „obaluje“ požadovanou sinusovku proudu – lépe se filtruje.

8. Účinnost zdroje a jeho účiník. V obvodu TDA16888 je kombinace PFC + SMPS (Switch Mode Power Supply = spínaný zdroj), která funguje synchronně pro snížení rušení obvodu. SMPS PFC

9. Obvod TOPSwitch TOP202 s pevným kmitočtem v nespojitém režimu činnosti jako preregulátor zvyšující výstupní napětí, zlepšující účiník cos  0,99 -(Power Factor) a snižující celkové harmonické zkreslení THD  5 % (THD = Total Harmonic Distortion).

10. Konkrétní zapojení PFC s obvodem UC 3852 a tranzistorem MOSFET

11. PFC je vlastně zvyšovač napětí, který je napájen napětím s téměř 100% zvlněním. Usměrňovač pracuje do kondenzátoru s velmi malou kapacitou, který slouží pouze jako blokace vf proudu, nikoliv jako filtrace frekvence 100 Hz. PFC má kromě zvýšení účiníku ještě jednu velkou výhodu, umožňuje univerzální provoz s napětím (100 – 240) V bez přepínání. Výstupní napětí PFC je totiž jen nepatrně závislé na velikosti vstupního střídavého napětí. Umožňuje tím univerzální provoz i propustným typům zdrojů, které samy o sobě nemají pro univerzální provoz dostatečný rozsah regulace. Dioda D2 nemá na ustálený provoz obvodu žádný vliv, uplatňuje se jen v okamžiku zapnutí, kdy je C2 s velkou kapacitou vybitý. Díky této diodě neteče velký počáteční proud přes tlumivku a nedojde tedy k jejímu přesycení, což by mohlo způsobit zničení tranzistoru.

12. POWER FACTOR je jedním z těch témat, o kterých existuje mnoho nejasností a mnohé mylné informace. Viníkem je tvrzení, že účiník = cos (φ), kde φ je fázový posun mezi napětím a proudem. Je to sice pravda, ale jen za určitých ideálních podmínek. Existuje mnoho reálných případů, kdy je to zcela nesprávné. Pokud připojíme sinusový zdroj napětí na odpor bude se ohřívat. Proud je dána vztahem I = U / R a výkon je dána vztahem: P = U . I nebo P = U ² / R. Napětí a proud jsou efektivní hodnoty. Horní modrá vlnovka je sinusové napětí. Napětí má efektivní hodnotu 1 V přičemž vrcholem napětí je hodnota 1,414 V, červenou vlnovkou je proud a jeho efektivní hodnota je také 1 A a tedy vrcholová 1,414. Odpor je tedy 1 Ω). Zelená vlnovka je okamžitý výkon, tedy součin napětí a proudu v každém okamžiku. Okamžitý výkon je 1,414 V . 1,414 A = 2 W. Průměrný výkon je tedy 1 W.

13. Nahradíme nyní odpor cívkou. Proud cívkou (spotřebičem) se zpožďuje o 90 ° za napětím. To dokládá červená vlnovka proudu. Podívejme se na okamžitý výkon. Mezi svislými čarami budeme mít záporné napětí, násobené kladným proudem a tedy záporný výkon. Záporný výkon? Co to znamená? Jen to, že záporný proud během této části cyklu převádí energii z cívky zpět do zdroje napětí. Cívka je zdrojem. Energie uložená v cívce je ½ L . I ².

15. Rezonanční spínané zdroje – rozdělení: • 1) RC = Resonant Converters (rezonanční měniče) • SRC = Series Resonant Converter (měniče se sériovou rezonancí) Sériový rezonanční obvod tvoří CS a LS a v rezonanci má minimální impedanci a teče jím maximální proud. Tento proud prochází přes usměrňovač do kondenzátoru CO a zátěže RZ.

16. Rezonanční spínané zdroje • b) PRC = Parallel Resonant Converter (měniče s paralelní rezonancí) Paralelní rezonanční obvod tvoří Cp a Lp a v rezonanci má maximální impedanci a je na něm maximální napětí. Toto napětí se usměrňuje a napájí přes filtr LO + COzátěž RZ.

17. Rezonanční spínané zdroje • c) SPRC = Series-Parallel Resonant Converter • (měniče se sério-paralelní rezonancí) Obdoba měniče s paralelní rezonancí, kde v rezonanci je minimální úbytek na prvcích CS a LS. Oba rezonanční obvody jsou laděné na shodný kmitočet.

18. 2) QRC = Quasi-Resonant Converters (kvazirezonanční měniče) • ZCS QRC = Zero-Current Switch Quasi-Resonant Converters (kvazirezonanční měniče se spínáním v nule proudu) • A/ půlvlnné (dioda D1 v sérii s tranzistorem) a= tranzistor T1 je sepnut, proud teče přes LR, D1, T1 a přebíjí se konden-zátor CR až do nuly u2 b = napětí u2 na CR začíná růst c = tranzistor T1 vypíná a kondenzátor CR se vybíjí do RZ d = napětí u2 mění polaritu a vede D2

19. interval sepnutí tranzistoru T1: Ta = ta+tb interval rozepnutí tranzistoru T1: Tb = tc+td doba periody spínání tranzistoru: TS = Ta + Tb konec intervalu a: I2 = U1 . ta / LR konec intervalu b: U2 = I2 . (ta + tb)/ CR

20. B/ celovlnné (dioda D1 paralelně s tranzistorem) V době sepnutí tranzistoru T1 teče proud ze zdroje u1(t) přes cívku LR, sepnutý tranzistor T1 do kondenzátoru CR (a do zátěže RZ). V době rozepnutí tranzistoru T1 teče proud z kondenzátoru CR přes diodu D2 a cívku LR zpět do zdroje u1(t).

21. b) ZVS QRC = Zero-Voltage Switch Quasi-Resonant Converters (kvazirezonanční měniče se spínáním v nule napětí) interval 1+2 = T1 rozepnut interval 3+4 = T1 sepnut

22. interval a: ze zdroje u1(t) se nabíjí kondenzátor CR proudem a roste na něm napětí. Tento proud teče dále cívkou LR (cívka je spotřebičem, plus napětí je vlevo) do zátěže jako výstupní proud interval b: jakmile napětí na kondenzátoru CR dosáhne velikosti vstupního napětí U1, klesá proud cívkou LR a cívka přechází do režimu zdroje napětí, plus vpravo. Tím dále roste napětí na kondenzátoru CR (cívka je v sérii se zdrojem U1, výstupní napětí je konstantní) do svého maxima a jak se vyčerpává zásoba energie v magnetickém poli cívky, její proud klesá a napětí na kondenzátoru klesá. interval c: tranzistor T1 spíná a napětí na kondenzátoru CR je nulové. Proud cívkou se blíží k nule a cívka přechází opět do režimu spotřebiče (plus napětí vlevo) a je protékána proudem ze zdroje přes T1. interval d: proud cívkou LR je konstantní a teče celý do zátěže. Dioda D2 umožňuje rekuperaci energie z cívky L do zátěže. • 3) MRC = Multi-Resonant Converters (multirezonanční měniče) • Rezonanční obvod je tvořen v π-článkem s rezonanční kondenzátory připojenými paralelně ke spínačům a cívka se vkládá mezi dva spínače.

23. Rezonanční mód spínaného zdroje Spínač S je rozepnut a do rezonančního sériového obvodu, tvořeného prvky LR a CR neteče proud. Dioda DOUT je mezi tím protékána proudem IOUT, který teče z cívky LOUT do zátěže a uzavírá se zpět právě přes DOUT. Když spínač S v čase to sepne, objeví se na cívce LR konstantní napětí zdroje UIN, protože kondenzátor CR má v tomto okamžiku (jednotkový skok napětí) nulovou impedanci.

24. 3) V okamžiku t1 překročí ILR proud IOUT a napětí na kondenzátoru CR začne narůstat. Jakmile je na kondenzátoru CR kladné napětí, dioda DOUT se uzavírá a nevede. 4) Vstupní proud IR se ovšem rozdělí, jeho část o velikosti IOUT teče i nadále do zátěže a jeho další část právě dobíjí kondenzátor CR. 5) Svého maxima dosahuje proud ILR v okamžiku, kdy na kondenzátoru CR je právě hodnota napětí UIN. Dále pak již narůstat nemůže (na cívce LR není žádné napětí) a začíná pomalu klesat tak, jak roste napětí na kondenzátoru CR.

25. 6) Předá-li cívka LR svoji energii magnetického pole do kondenzátoru CR, pak na tomto kondenzátoru naroste napětí UCR na 2 . UIN, kdy nastává jeho maximum, další proud do kondenzátoru neteče a veškerý vstupní proud IIN = ILR = IOUT. Naopak se začne kondenzátor CR vybíjet a v časovém okamžiku t4 je na něm již napětí UIN, takže proud ze zdroje je nulový (na LR je nulové napětí) a spínač S je možno vypnout. 7) Kondenzátor CR se dále vybíjí a teprve v časovém okamžiku t5 je vybit, dioda DOUT se stává vodivou a do zátěže je předávána energie z magnetického pole cívky LOUT. Periodický cyklus je u konce v tom okamžiku, kdy je kondenzátor CR opět přebit na napětí - 0,6 [V] (dále se nepřebíjí, protože UF diody DOUT již neroste). 8) Dioda D1 zamezuje zpětnému proudu do zdroje.

26. 9) Přenos vyššího množství energie se uskutečňuje častějším spínáním spínače S. Naopak konstantní musí být doba sepnutí spínače S tak, aby korespondovala s parametry obvodu LR a CR. Mění se tedy střída ovládacího signálu změnou kmitočtu, resp doby tOFF. Frekvence spínání spínače S je odvozována od výstupního napětí přes obvod VCO (Voltage Controlled Oscilator). Výhodou rezonančních stabilizátorů je to, že ačkoliv spínací prvek pracuje v režimu sepnuto - rozepnuto (tedy s minimálními ztrátami), zbytek obvodů pracuje se spojitými průběhy. To má za následek velmi značné snížení šumu, snížení zvlnění a zmenšení napěťových a proudových špiček, které vyzařují elektromagnetické pole do prostoru a způsobují snížení elektromagnetické kompatibility. Snižuje se i horní rozsah spektra rušících signálů.

27. SRPS = Series Resonant Power Supply Zdroj na principu sériové rezonance: dva tranzistory spolu se dvěma kondenzátory C1 a C2 tvoří můstek v jehož uhlopříčce se nalézá laděný sériový rezonanční obvod C3 + L1 Indukčnost L1 je tvořena primárním vinutím hlavního transformátoru. Ve správném pracovním režimu (správná hodnota výstupního napětí) obvod PDM (Pulse-Duration Modulated = pulzy modulované napětím) budí pomocný transformátor impulsy s opakovacím kmitočtem fo. Další vinutí tohoto pomocného transformátoru zajišťují časovaná otvírání jednotlivých spínacích tranzistorů.

28. Jakmile se však z nějakých důvodů změní na výstupu požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu fr obvodu C3 + L1. Tím rezonančním obvodem vzrůstá proud (klesá jeho impedance), do transformátoru se dostává více energie a výstupní napětí tím roste směrem k původní velikosti. Naopak při vzrůstu výstupního napětí (např. odlehčením zdroje odpojením části zátěže) výstupní kmitočet PDM se od rezonančnho kmitočtu fr vzdaluje a odpor rezonančního sériového obvodu C3 + L1 roste a tím klesá proud tímto obvodem a následkem i výstupní napětí. Vzhledem k tomu, že strmost boků rezonanční křivky je nesmírně vysoká, je tato regulace velmi citlivá i na malé změny výstupního napětí a samozřejmě i rychlá.

29. Synchronní usměrňovač Při napájecích napě-tích okolo 5 [V] byly užívány Si diody, pro systémy s napájecím napětím 3,3 [V] je třeba hodnoty propustných napětí snižovat, aby neklesala energetická účinnost. Vznik kanálu N je velmi rychlý, stejně jako jeho zánik, doba závěrného zotavení je menší než 100 [ns] a přitom je na tranzistoru mezi S a D úbytek napětí do 0,2 [V]. Zapojení obsahuje tranzistor TMOS (Motorola - čtvercové emitorové oblasti = SIPMOS Siemens), jehož vodivý kanál N vzniká v případě, že řídicí elektroda G je kladně polarizována oproti substrátu, respektive emitoru (source) S, který je se substrátem spojen uvnitř tranzistoru.

30. Synchronní usměrňovač – synchronizace se spínáním primáru 1. fáze: sepnut na primáru QA, QD a na sekundáru sepnut Q2 – proud ze zdroje teče primárním vinutím shora dolu 2. fáze: sepnut na primáru QA, QB a na sekundáru stále sepnut Q2 – indukované přepětí na primární straně během doby death time je zkratováno tranzistory QA a QB, energie je přenesena na sekundární stranu

31. 3. fáze: sepnut na primáru QC, QBa na sekundáru sepnut Q1– proud ze zdroje teče primárním vinutím sdola nahoru 4. fáze: sepnut na primáru QD, QB a na sekundáru stále sepnut Q1 – indukované přepětí na primární straně během doby death time je zkratováno tranzistory QA a QB, energie je přenesena na sekundární stranu

32. cívka L1 je spotřebič cívka L1 je zdroj proud cívkou L1 lineárně roste proud cívkou L1 lineárně klesá cívka L2 je spotřebič cívka L2 je zdroj proud cívkou L2 lineárně roste proud cívkou L2 lineárně klesá IOUT = IL1 + IL2 jednotlivé fáze spínání