5 – Przekształtniki impulsowe prądu stałego

Przekształtniki impulsowe prądu stałego
(dc/dc)
Wprowadzenie
Sterowanie napięciem przez Modulację Szerokości Impulsów MSI
(Pulse Width Modulation - PWM)
Przekształtnik obniżający napięcie (buck converter)
Przekształtnik podwyższający napięcie (boost converter)
Przekształtnik odwracający (buck-boost)
Przekształtniki dwu- i czterokwadrantowe
Unipolarne i bipolarne sterowanie MSI przekształtnika mostkowego
Wpływ przewodzenia przerywanego na pracę przekształtników buck,
boost, buck-boost
EN_w05
1
Wprowadzenie do przekształtników dc/dc
Główne zastosowania:
Zasilacze impulsowe prądu stałego
Napędy z silnikami prądu stałego
Cel: regulować napięcie wyjściowe
Schemat
blokowy:
EN_w05
2
Sterowanie wartością średnią napiecia przez MSI
EN_w05
3
Realizacja sterowania MSI
EN_w05
4
Przekształtnik obniżający (buck converter)
Tętnienia napięcia są filtrowane dolnoprzepustowym filtrem LC
Dioda jest niezbędna, aby zapewnić drogę dla prądu iL
gdy nie przewodzi łącznik
EN_w05
5
Napięcie wyjściowe przekształtnika Vd
Vd średnie zależy liniowo
od D
V0 = D · Vd
Częstotliwości harmoniczne
są wielokrotnościami fs :
fs , 2fs , 3fs , ...
Filtrowanie tym
skuteczniejsze im większa
częstotliwość łączeń fs i im
mniejsza częstotliwość
graniczna (-3dB) filtru
fc « fs
EN_w05
6
Przebiegi i,u przy przewodzeniu ciągłym
iL > 0
W stanie ustalonym:
A=B
(vL)śr = 0
Bilans mocy przy
pominięciu strat:
EN_w05
7
Przekształtnik podwyższający napiecie (boost)
Takie same elementy, inaczej połączone
Napięcie wyjściowe nie może być mniejsze od wejściowego
EN_w05
8
Przebiegi w stanie ustalonym przy przewodzeniu ciągłym
całka napięcia na indukcyjności:
Bilans mocy:
EN_w05
9
Ograniczenia w podwyższaniu napięcia
Dławik i kondensator nie są
idealne (straty)
Spadki napięcia stają się istotne
przy dużych prądach i dużych D
Napięcie wyjściowe niedokładnie
odpowiada teoretycznemu
D musi być ograniczone: 0 .. 0.8
EN_w05
10
Przekształtnik buck-boost (obniżająco-odwracający)
Napięcie wyjściowe może
być niższe lub wyższe od
wejściowego
Napięcie wyjściowe ma
przeciwny znak niż wejściowe
EN_w05
11
Przebiegi w stanie ustalonym przy przewodzeniu ciągłym
EN_w05
12
Przekształtniki dwukwadrantowe (półmostkowe)
Przełączanie między dodatnim a ujemnym biegunem napięcia Ud
Średnie napięcie wyjściowe dodatnie, prąd dodatni lub ujemny (I i II ćwiartka)
Stanowią jedno ramię (leg) w przekształtnikach złożonych dc/dc lub dc/ac
EN_w05
13
Przekształtnik czterokwadrantowy o jednym ramieniu
Obciążenie włączone między biegun wyjściowy przekształtnika, a punkt
środkowy zasilania
Zarówno prąd jak i napięcie wyjściowe mogą być dodatnie lub ujemne
Zastosowania:
zasilacze impulsowe
przekształtniki dc/ac
EN_w05
14
Przekształtnik czterokwadrantowy mostkowy
Napięcie wyjsciowe może być regulowane w zakresie
napięcie zasilające
EN_w05
15
Przekształtnik czterokwadrantowy mostkowy
Zastosowania:
Napędy prądu stałego
Falowniki dc/ac
Zasilacze impulsowe z izolacją we/wy
EN_w05
16
Napięcia wyjściowe biegunów przekształtnika
Napięcia (chwilowe) w punktach A, B oraz ich różnica zależą od napięcia
zasilającego i sygnałów sterujących, a są niezależne od prądu obciążenia
Napięcia średnie zależą od względnych czasów wysterowania łączników TA+, TB+
(łączniki TA-, TB- są sterowane komplementarnie)
EN_w05
17
Sterowanie MSI w przekształtnikach mostkowych
Dwie metody sterowania MSI:
Bipolarna (dwubiegunowa) MSI : pary łączników (TA+ , TB-) oraz
(TA- , TB+) są wysterowywane równocześnie
Unipolarna (jednobiegunowa) MSI : między wysterowaniem TA+ a
TB- oraz między TA- a TB+ jest 180o przesuniecia fazowego
Unipolarna MSI jest zdecydowanie lepsza, choć jej realizacja jest nieco
bardziej skomplikowana
EN_w05
18
Porównanie MSI unipolarnej i bipolarnej
Wartość skuteczna składowej zmiennej (wszystkich harmonicznych łącznie) jest
mniejsza dla MSI unipolarnej, zwłaszcza dla średnich wartości napięcia wyjściowego
bliskich zeru
Częstotliwość podstawowej harmonicznej w napieciu wyjsciowym jest dla modulacji
unipolarnej dwukrotnie wyższa niż częstotliwość przełaczeń zaworów fs , a dla
bipolarnej równa fs
EN_w05
19
Sterowanie w bipolarnej MSI
TA+ i TBprzewodza,
gdy sygnał
sterujący
vcontrol jest
większy niż
trójkątny
sygnał
odniesienia
Napięcie
wyjściowe
przełącza się
od wartości
+Vd do -Vd
Przejście
prądu przez
zero nie
wywołuje
żadnych
komplikacji
EN_w05
20
Sterowanie MSI - wzory
Napięcie trójkątne w przedziale ¼ okresu Ts:
Względny czas wysterowania TA+:
Średnie napięcie wyjściowe ...
... liniowo zależy od sygnału sterującego
EN_w05
21
Sterowanie unipolarne MSI
Dwa oddzielne napięcia
sterujące dla łączników TA i TB
Tak jak poprzednio:
EN_w05
22
Przewodzenie przerywane
W przekształtnikach dwu- i czterokwadrantowych przewodzenie
przerywane praktycznie nie wystepuje
W prostych przekształtnikach (buck, boost, buck-boost), przy
niewielkich obciążeniach prąd w indukcyjności może w pewnych
przedziałach spadać do zera – mówimy wtedy o przewodzeniu
przerywanym
Dla przewodzenia przerywanego znacznie komplikują się wzory na
napięcie wyjsciowe; napięcie to staje sie zależne od prądu i parametrów
obwodu
Analizę pracy przy przewodzeniu przerywanym najlepiej przeprowadzic
symulacyjnie, lub skorzystać z iPES
EN_w05
23
Praca na granicy przewodzenia ciągłego i przerywanego w
przekształtniku obniżającym (buck)
EN_w05
24
Przebiegi w stanie ustalonym przy przewodzeniu przerywanym
w przekształtniku obniżającym (buck)
EN_w05
25
Charakterystyki V(I) dla przekształtnika obniżającego (buck)
z uwzględnieniem strefy przewodzenia przerywanego
EN_w05
26
Charakterystyki D(I) dla przekształtnika obniżającego (buck)
z uwzględnieniem strefy przewodzenia przerywanego
EN_w05
27
Przekształtnik obniżający (buck) – ćwiczenia iPES
EN_w05
28
Przekształtnik podwyższający – granice przewodzenia
ciągłego i przerywanego
EN_w05
29
Przekształtnik podwyższający – przebiegi na granicy
przewodzenia ciągłego oraz przy przewodzeniu przerywanym
EN_w05
30
Przekształtnik podwyższający – charakterystyki D (Io)
z uwzględnieniem przewodzenia przerywanego
EN_w05
31
Przekształtnik podwyższający – ćwiczenia iPES
EN_w05
32